「第二個地球」：一個美麗的童話？

地球孕育了人類，是迄今為止浩瀚宇宙中唯一確證有生命的星球。地球是太陽系八大行星之一，銀河系中像太陽一樣的恆星有上千億顆，而整個宇宙中像銀河系一樣的星系又數以千億計。

如果從太陽系外看，地球就像宇宙中的一粒塵埃，恰恰是這粒塵埃，卻是人類唯一的賴以生存的家園。我們遺憾地發現，迄今為止，地球仍是太空中唯一適合人類長期居住的行星。系外行星的想像雖然美好，但這只是一個美麗的童話，另一個地球美好的「遠水」解決不了人類面臨的「近渴」，人類未來的命運繫於地球。除了地球，我們別無所依。

太陽系之外真的有這麼多「地球」嗎？位於恆星宜居帶內的系外行星，如果大小與地球相近則往往被描繪為可能有水，適合生命生存。但實際上這還取決於行星的物質組成、有無大氣層等行星本身的性質。

開普勒太空望遠鏡搜尋之旅

所謂系外行星，就是位於太陽系之外，圍繞另一顆恆星運行的行星。7月23日，美國國家航空航天局對外發布預告，將於北京時間7月24日零點整對外發布有關係外行星搜尋「令人興奮」的新消息。預告稱「天文學家們已經接近幾千年來我們所夢想的目標——發現另一個地球。」這個預告一下子吸引了全球新聞界特別是科技媒體的關注。

從7月14日「新視野號」飛掠冥王星和冥衛持續數天的新聞報道，到前幾天鉑金小行星飛越地球附近的「財富誘惑」，再到今天宣布發現另一個地球——開普勒452b 。今年7月的這個夏天，太空和宇宙探索的新聞讓我們把目光投向寧靜絢爛的遙遠星空，似乎它們能夠在酷暑煎熬中帶給我們一絲清涼。

以我的個人分析，這次新聞發布會更像是花費了6億多美元的開普勒太空望遠鏡向全球公眾，特別是美國政府、國會和納稅人的「彙報演出」，目的是告訴他們，你們給的這些錢沒有白花，以爭取得到進一步的研究資助。我們應該知道，NASA不僅僅是一個龐大的航天科研機構，它也是一個政府部門，在科學傳播和新聞素材的饑渴發布，以及吊人胃口、吸引眼球方面已經十分嫻熟，類似的操作手段，我們其實已經屢見不鮮。這些操作既塑造了它良好的公眾形象，傳播了科學精神，也回應了公眾期待。

開普勒太空望遠鏡由NASA下屬的噴氣推進實驗室研製，它攜帶的最主要的科學儀器——光度計配備了一個直徑95厘米的透鏡。與哈勃望遠鏡主要用來拍攝星空圖片不同，開普勒望遠鏡是世界上第一顆探測系外行星的航天器。2009年3月7日，開普勒望遠鏡從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地17-B發射台發射升空，在3年多的任務期內，開普勒望遠鏡對天鵝座和天琴座中約10萬個恆星系統開展了觀測，目的是搜尋太陽系外的行星，特別是搜尋與地球相似、由岩石構成，並位於恆星宜居帶上的行星，以研究銀河系內行星系統的多樣性。所謂「宜居帶」是指恆星所屬的行星系統中適合生命存在的區域，在太陽系中，距離太陽0.99～1.70天文單位（1天文單位等於1.5億公里）之間的區域被稱為宜居帶。由於恆星輻射強度的差異，宜居帶與恆星的距離有所不同。

開普勒望遠鏡擔負著尋找第二個地球的重任

開普勒望遠鏡通過觀測行星穿越恆星的「凌日」現象搜尋系外行星。所謂「凌日」是指行星經過其所屬的母恆星前的現象，就像地球上觀測水星或金星凌日的天象時，我們會發現太陽表面有個小黑點在緩慢移動。當行星運行到開普勒望遠鏡與這顆行星所屬的恆星系統之間時，由於行星的遮擋，望遠鏡上的光度計接收到的恆星亮度信號會減弱。開普勒望遠鏡上的光度計非常靈敏，可以檢測到恆星亮度的十萬分之一的微弱變化。科學家根據恆星亮度周期性的微弱變化，可以推算出系外行星的大小和軌道周期。

為了精確對準觀測天區，開普勒望遠鏡配備了4個反應輪以控制望遠鏡的方向，其中至少要有3個反應輪正常工作才能實施觀測。2012年7月，望遠鏡上的1個反應輪出現故障，但仍可正常觀測。2012年11月，望遠鏡原定的主要觀測任務順利完成，原計劃將觀測壽命延長4年。但2013年5月，又一個反應輪出現故障，由於無法湊齊3個反應輪一起工作，望遠鏡的正常觀測基本停止。經過連續數月的分析測試和挽救努力後，項目團隊於2013年8月19日宣布放棄修復望遠鏡，轉而讓其承擔其它研究任務。

開普勒望遠鏡的結構和主要設備

「第二個地球」——開普勒452b

新聞發布會準時開始，以音頻和圖片形式向全球直播，開普勒望遠鏡團隊宣布發現了迄今為止與地球最相似的系外行星——開普勒452b（Kepler 452b）。

開普勒452b的直徑比地球大60%，距離地球約1400光年（1光年約等於10萬億公里），位於天鵝座。2015年1月6日，NASA曾經發布開普勒望遠鏡發現的第1000顆系外行星，其中開普勒438b、開普勒442b、開普勒440b等三顆行星的運行軌道位於宜居帶內，當時報道也稱之為「另一個地球」。但那三顆行星圍繞運行的恆星是質量較小、溫度較低的紅矮星，而開普勒452b圍繞運行的是一顆與太陽相似的恆星——開普勒452。

開普勒452b的直徑略大於地球，和中心恆星之間的距離與日地距離相似，比開普勒186f更像地球。

由於「凌日」法只能測量系外行星的直徑大小，無法估算其質量，因此無法根據密度判斷開普勒452b究竟是不是岩石質的行星。但根據理論模型推測，開普勒452b的質量可能約為地球的5倍，若推測成立，則它應該是一顆岩石行星，而不是像木星、土星、海王星那樣氣液態的巨行星。

開普勒452b的軌道周期（一年）約為385天，接近地球上的一年365天。由於這顆系外行星與母恆星的距離適中，位於溫度適宜的宜居帶，科學家猜想它的表面可能存在液態水。

雖然新聞報道時大多稱之為「第二個地球」，但嚴格說來，開普勒452b是一顆圍繞與太陽相似的恆星運行，與這顆恆星之間的距離適中的系外行星。所以，開普勒452b並不是嚴格意義上的「另一個地球」，只能說是迄今為止與地球最相似的系外行星。儘管如此，這仍然是搜尋「另一個地球」所取得的重要進展。

根據估算，恆星開普勒452的年齡約為60億年，比太陽還要老15億年，圍繞這顆恆星運行的開普勒452b的年齡也接近60億年。由於恆星的光度會隨著年齡增長而老當益壯，逐漸增強，因此在開普勒452形成後的50億年內，這顆系外行星接收到的光照強度應該比地球弱，但如今開普勒452b接收到的光照強度已經超過了地球。這說明隨著太陽年齡的增長，地球上接收到的光照強度也將逐漸增強。

此次發布會同時發布了11顆直徑小於地球2倍、位於宜居帶內的系外行星，但其結果還需進一步確認。

探測冥王星的「新視野號」飛船是迄今為止飛得最快的深空探測器，如果讓它從現在開始趕赴開普勒452b，按照「新視野號」目前5.9萬公里/小時的飛行速度，飛到「第二個地球」需要約2709萬年，而人類在地球上的全部歷史也不過200萬年，看來有生之年你我是不可能去那裡旅遊的了。

系外行星：從科學猜想到地理大發現

我們知道，太陽系有八大行星，那麼其它恆星也應該有自己的行星系統。但這一設想直到二十多年前仍缺少實際觀測證據的支持，依然停留在科學猜想階段。行星本身不發光，它表面的反射光相對恆星而言是極為微弱的，因此行星常常被掩蓋在母恆星的光輝內，要從距離地球達數百光年以遠的恆星系統中發現行星是很困難的。早在1855年就有天文學家宣稱發現了系外行星，但直到1992年，人類才首次確認有質量與地球相近的天體環繞著脈衝星PSR B1257+12（質量為木星10.98倍的HD 114762 b於1989年被首次發現，是最早被確認的系外行星）。由於並非所有恆星都有行星，因此系外行星的發現給了我們很大的驚喜。銀河系裡面有上千億顆恆星，如果1%的恆星擁有自己的行星，則太陽系外的行星將達數十億顆。

系外行星觀測在最近幾年取得了重要進展，截至今天（2015年7月24日），已確認的系外行星達1935顆，屬於1225個行星系統，其中484顆系外行星位於多行星系統內（數據來源：http://exoplanet.eu/catalog/）。系外行星的觀測方法也有新的突破，其中用凌日時間變分法發現3顆，脈衝星計時法發現18顆，直接成像法發現51顆，微引力透鏡發現34顆，徑向速度或天體測量法發現591顆，凌日法發現 1 179顆。開普勒望遠鏡自2009年發射以來在太空開展的天文觀測，大大提高了系外行星搜索的效率，目前已經探測到18 000顆可能的系外行星，其中262顆與恆星的距離不遠不近，位於溫度適宜的宜居帶。

系外行星的探索具有重要意義。我們知道，太陽系是從一團瀰漫著氣體和塵埃等星際介質的太陽星雲逐漸凝聚、演化而來的。目前，太陽系已經演化到了行星形成的晚期，但我們對行星形成的早期歷史並不清晰。通過系外行星搜尋，發現那些處於不同形成階段、不同類型的行星，有助於理解行星是怎麼形成的，未來將向什麼方向演化。我們的地球也是一顆行星，具有行星所共有的一些特徵，系外行星的探索，有助於研究行星的形成和演化過程，更有助於預測地球的未來，這關於人類未來的命運。

系外行星真的適合人類生存嗎？

在很多新聞報道中，系外行星往往被稱為「超級地球」「最類似地球的行星」「第二地球」等，這似乎描繪了一個光明的前景，人類未來有可能移居到這些星球上去。但作為冷靜的探索者，我們需要思考這些系外行星是否真的像地球一樣，人類未來是否真的有可能移居到這些行星。

如果是短期登陸探訪，有很多太空探索的目的地可供人類選擇，因為密閉的登陸艙和厚重的宇航服可以保護我們。但如果要移居到另一顆星球，這就要求找到一個適宜人類長期居住的天體，這個天體必須具備更為苛刻的條件：

首先，要有大氣層的保護。以地球海平面的大氣壓力為1個標準大氣壓為標準，醫院裡的高壓氧氣治療為1.4個大氣壓，珠穆朗瑪峰頂約為0.41個大氣壓。如果系外行星的大氣太稠密或太稀薄，人類的心肺功能都將難以承受。如金星表面是90個大氣壓，連載人登陸都無法實現，更不可能適合人類生存了。

除大氣壓外，還要擁有合理的大氣成分和比例。地球大氣的主要成分是氧氣和氮氣，而且要符合一定比例。氧氣含量過高，人會發生「醉氧」，過低則會缺氧。但是，目前的探測手段還難以確定系外行星是否擁有大氣層，更難以判斷大氣成分。從太陽系的經驗分析，土衛六的大氣是氮氣和甲烷，木衛二為純氧，金星大氣主要為二氧化碳，可能大多數系外行星的大氣成分主要為氮氣、甲烷、二氧化碳等，根本不適合人類生存。除了氧氣，地球大氣層中的微量氣體也發揮了很大作用，比如臭氧過濾掉了對人類危害最大的紫外輻射。系外行星如果沒有臭氧層，人類患皮膚癌的概率將大大增加。

其次，要有液態水和適宜的溫度。水是生命之源，根據地球的經驗，生命的存在離不開水。有了水，才有可能形成生態系統，人與生物圈才能形成相互依賴、不斷進化的生態系統，否則人類單獨是難以長期生存的。實際上，現有科技手段還無法證實系外行星上是否有液態水，只能根據系外行星與恆星之間的距離來估算行星上的溫度，並根據溫度範圍推斷是否有液態水的存在，並非探明真的存在液態水。即使系外行星與恆星的距離位於宜居帶內，也並不能保證行星表面具有適宜的溫度。行星大氣層的密度和成分將顯著影響行星表面的溫度。

根據達爾文的進化論，生命的演化需要經歷漫長的歷史。太陽作為太陽系的母恆星，是一顆中等質量的恆星，人類預測其壽命大約100億年。現在太陽的演化已經過去約50億年，地球的形成已歷經了46億年。地球誕生後8億年才出現簡單的生命，而人類的出現則不過250萬年。換言之，太陽系誕生約50億年後才繁衍出高度發達的文明。在宇宙中，如果母恆星的質量太大，其壽命就會比較短，它的行星就會來不及在母恆星的「有生之年」演化出相對複雜的生命。

再次，適宜居住的系外行星必須有一個岩石質的表面，讓人類可以繼續生活在陸地上。由於系外行星的質量越小就越難觀測到，所以早期發現的系外行星大多是木星那樣巨大的氣液態行星，並不適合生命生存。適宜居住的行星還要有一個完美的磁場，可以屏蔽來自恆星和恆星際的高能帶電粒子；這些行星必須已經演化到了中年階段，內部能量的釋放比較溫和，因為處於演化早期的年輕行星往往會狂暴地釋放內部能量，地震和火山爆發的強度和頻度太大，人類在這些自然災害面前的生存機會將十分渺茫。

最後，系外行星所屬的恆星的能量釋放要比較穩定，否則人類在恆星爆發的超級帶電粒子風暴面前只能坐以待斃。行星系統要已經演化到晚期階段，大量的小天體碎片已經被大的行星吸積，行星際空間逐漸清朗，可以大大降低行星被小天體撞擊的幾率。

總之，人類之所以能在地球上生存，是因為地球穿了幾層保護人類的防護衣。第一層是磁場，它屏蔽了大量高能帶電粒子，保護我們免受高劑量輻射的傷害；第二層是大氣層，它提供了人類呼吸所需的氧氣和植物生長所需的二氧化碳，其中的臭氧又過濾掉對人體有害的紫外線；第三層是水圈，水作為載體，促進了地球各圈層之間的物質循環和生物的新陳代謝。

系外行星：遙不可及的美麗童話

系外行星本身不發光，在遙遠的、很亮的恆星附近很難直接觀測到，大多通過行星運行時對恆星的擾動來判斷。迄今還沒有辦法明確判斷系外行星是否有岩石質的表面，是否有液態水，是否有磁場，大氣層中是否含有氧氣，更難以確認系外行星是否真正與地球環境相似。

如果人類足夠幸運，真的發現了一顆類似地球的系外行星，那我們是否有能力到達這顆系外行星呢？開普勒望遠鏡最近發現了8顆系外行星，其中有3顆處於宜居帶，溫度範圍允許液態水的存在。其中比地球大12%的開普勒438B也一度被認為最類似地球，距離地球475光年，公轉周期為35.2天，取代此前發現的開普勒186F，被認為是最有可能接近地球環境的系外行星。另一顆類似地球的系外行星開普勒442B，距離地球1100光年，公轉周期為112天。以「新視野」號在藉助木星引力加速後的峰值速度7萬～7.5萬千米/小時（相當於19～20km/s，大於第三宇宙速度）估算，飛到開普勒438B需要684萬年，飛到開普勒442B需要1584萬年。所以在星際飛行理論沒有突破的情況下，如果依靠傳統火箭，不藉助時空穿越，人類基本上不可能抵達這些系外行星。

行星系統的宜居帶。縱坐標為母恆星質量與太陽質量的倍數，橫坐標為行星到母恆星的距離與日地距離的倍數。

除了地球，我們別無所依

人類是在地球上繁衍進化而成的，我們的身體、生產、生活都已經適應了地球的環境。就像世界上沒有兩片完全相同的葉子，宇宙中與地球一模一樣的星球幾乎是不存在的，所以如果移居到另一顆星球上生存，人類很可能就需要進化成另一種生物。雖然地球並非天堂，也會面對超級太陽風暴、地球磁極倒轉、小天體撞擊等天文災難，也有地震、火山、海嘯等重大自然災害，但即使我們對地球諸多不滿，它依然是我們唯一的生存家園。

我們尋找系外行星，我們希望登陸火星乃至移民火星，並不是因為那裡更加美好，而是為了尋找人類未來的避難所。地球上的生物常常需要面對重大的災難性事件，根據推測，地球上的生物大滅絕平均2600萬年發生一次。就像導致曾經獨霸地球的恐龍滅絕一樣，這樣的災難一旦發生，必將導致人類的滅絕。為了人類的火種得以延續，我們需要在宇宙中尋找避難所，這就是我們搜尋系外行星和開展深空探測的重要價值。但是，在星際飛行理論沒有質的突破之前，在用於時空穿越的蟲洞還沒有成為現實之前，人類還不可能飛出太陽系，未來移居地的搜索只能局限在太陽系以內。而在太陽系內，火星是目前科學界公認的最佳選擇。木衛二、土衛六可能會有生命存在，但那裡並不適合人類移居。

地球上的戈壁和沙漠可以作為載人登陸火星前的野外訓練基地。圖為美國猶他州沙漠。

載人登陸火星模擬圖。機器人和航天員將協同考察。

從太空回望地球，如果是冥王星的距離，地球是陽光照耀下的一個暗淡的藍色圓點。如果從太陽系外回望地球，地球就像是漂浮在空蕩蕩的宇宙中的一粒塵埃，相當於太平洋中的一滴水。但恰恰是這個暗淡的藍色圓點、這粒塵埃、這滴水，正是人類唯一賴以生存的家園。在遍尋整個宇宙之後，我們遺憾地發現，地球仍是迄今為止太空中唯一適合人類長期居住的行星。保護地球，就是保護人類的未來。如果把人類看作一個大家庭，那麼地球就是我們代代相傳的「稀世珍寶」，我們有義務把它完好無缺地傳給下一代。我們不能在地球上肆意地亂塗亂畫，把一顆千瘡百孔、傷痕纍纍的地球交給我們的孩子，這是每一個人的責任。

系外行星的想像雖然美好，但這美好的「遠水」解決不了人類面臨的「近渴」。人類未來的命運繫於地球。

除了地球，我們別無所依。

（作者：鄭永春，中國科學院國家天文台）

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