我們能在星際空間找到新「地球」嗎？
導讀：《星際穿越》中出現了三顆適宜人類生存的星球——米勒（Miller）、艾德蒙斯（Edmunds）和曼恩（Mann）。實際上，科學家距離發現這樣的星球還有多遠呢？近20年前，科學家才首次發現幾顆太陽系外行星，這激勵了整整一代的年輕科學家投身這個領域，以及一系列後續重大發現：在系外行星的大氣中陸續發現了鈉、甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。這些發現還遠不足以證明地外生命的存在。然而，新的突破或許已經不再遙遠。（本文由《科學美國人》中文版《環球科學》授權轉載）
從經驗豐富的天體物理學家，到初出茅廬的科學記者，當時在場的每一個人都不會忘記1996年1月的那場新聞發布會。這場發布會是在美國天文學會冬季會議上召開的，美國舊金山州立大學的天文學家傑弗里·W·馬西（Geoffrey W. Marcy）在發布會上宣布，他和他的搭檔、當時任職於美國加利福尼亞大學伯克利分校的R·保羅·巴特勒（R. Paul Butler），發現了圍繞類太陽恆星轉動的第2和第3顆行星。而在此的幾個月前，瑞士日內瓦大學的米切爾·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎羅茲（Didier Queloz）曾宣布，他們發現了第一顆這樣的行星——飛馬51b（51 Pegasi b）。不過，剛發現飛馬51b時，科學家還認為這也許只是偶然發現，甚至可能是個錯誤。在發布會上，馬西已經可以確信地說，這既非偶然也非錯誤，他告訴觀眾，「行星根本就不罕見」。
這一發現震驚了天文學界。以前，由於科學家自認為尋找太陽系外行星過於困難，因此幾乎沒有人搜尋它們。而現在，僅對幾顆恆星進行搜索之後，天文學家就發現了3顆行星，這表明還有數十億顆行星有待發現。
如果巴特勒和馬西僅僅是解決了一個有關行星形成理論的問題，那麼他們的發現不會引起那麼大的轟動。事實上，他們的發現不僅證明太陽系外行星確實存在，而且這些行星的發現還可能回答一個自古希臘以來就一直困擾著哲學家、科學家乃至神學家的問題：我們在宇宙中是否孤獨的存在？
在最初的歡慶之後，科學家決定弄清楚，如何才能查明在那些圍繞其他恆星轉動的行星上，到底有沒有哪怕是最原始的生命形式。由於至今科學家還沒有像電影《超時空接觸》（Contact）中的朱迪· 福斯特（Jodie Foster）那樣，截獲外星人發來的訊息，因此要實現這個目標，就只能在太陽系外行星的大氣中尋找生命跡象，也就是高活性分子存在的證據。例如氧氣，除非有某種可進行新陳代謝的生物體不斷補充，否則氧氣很快就會消失。
馬西、梅厄和同事當年觀測到的，僅僅是行星對宿主恆星的引力作用；要探測生命跡象，就必須對行星大氣進行直接觀測。為此，美國航空航天局計劃，發射一系列更為強大的空間望遠鏡，而這個計劃的高潮部分，則是在軌空間望遠鏡「類地行星搜索者干涉儀」（Terrestrial Planet Finder Interferometer）的發射，它將耗資數十億美元，預計發射時間為21世紀20年代。總之，天文學家當時認為，對太陽系外行星大氣的了解，絕不是一時半會兒就可以做到的。
但他們錯了。最初幾顆太陽系外行星的發現，激勵了整整一代的年輕科學家投身這個領域，讓這一領域成為了天體物理學中最熱門的研究方向。同時，許多資深天文學家也轉向了太陽系外行星的研究。眾多優秀科學家的加入，為探測太陽系外行星帶來了全新的想法，也使這個領域迅速發展。到2001年，天文學家已在一顆太陽系外行星的大氣中發現了鈉。此後，又陸續發現了甲烷、二氧化碳、一氧化碳以及水。通過研究太陽系外行星的大氣，天文學家甚至還發現有間接的證據表明，一些行星可能部分是由鑽石組成的。「到目前為止，如果算上還沒有發表的結果，我們已經對30 ～ 50顆行星的大氣有一定的了解，」參與了許多開創性觀測的、美國加州理工學院的天體物理學家希瑟·克努森（Heather Knutson）說。
但這些發現還遠不足以證明地外生命的存在——這並不奇怪，因為克努森談論的絕大多數行星，都是溫度很高的類木行星，它們到各自宿主恆星的距離，比水星到太陽的距離還要近。不過，克努森及其他天文學家已經開始探測更多較小的太陽系外行星的大氣。這些行星被稱為「超級地球」，質量介於2 ～ 10個地球質量之間——即使在10年前，都沒有人想過，會發現這樣的天體。2013年4月，開普勒空間望遠鏡發現了兩顆大小不足地球2倍的行星，它們的溫度都允許生命存在，這一發現暗示，生命宜居的行星其實大量存在。因此，雖然這兩顆行星（被稱為開普勒62e和62f）距離過於遙遠而無法仔細研究，但天文學家還是相信，用不了多久，他們就能在類地行星的大氣中尋找生命跡象。
凌星天體
天文學家曾一度認為，要花幾十年的時間才能開始觀測太陽系外行星的大氣，因為第一批太陽系外行星都是間接發現的——天文學家觀測到了它們對宿主恆星的影響。這些行星本身是無法看見的，但由於恆星和行星繞著共同的引力中心運動，行星的引力會使得恆星來回運動。當恆星朝我們運動時，它發出的光會向可見光譜的藍端發生微小的偏移；當遠離我們時，它發出的光則會向紅端偏移。偏移的程度可以告訴天文學家這顆恆星的視向速度，即它朝向或者遠離地球運動的速度有多快；反過來，這也能告訴我們，太陽系外行星的質量有多大。
然而，尋找太陽系外行星的方法並不止這一種。如果從地球上看，一顆不可見行星的軌道正好是側向對著我們的，那它就會從宿主恆星的前面直接經過，這一現象被稱為凌星。不過，在第一批太陽系外行星被發現前的近20年，幾乎沒有天體物理學家考慮過凌星現象，原因很簡單，當時搜索太陽系外行星本身仍處於研究領域的邊緣。
凌星現象可能幫助天文學家分析太陽系外行星的大氣成分，點擊查看大圖。
時間來到1999年。當時在美國國家大氣研究中心的蒂莫西·W· 布朗（Timothy W. Brown）和當時在哈佛大學讀研究生的戴維· 夏博諾（David Charbonneau）在科羅拉多州博爾德市的一個停車場里，架設了一台微型的、天文愛好者級別的望遠鏡，第一次觀測到了太陽系外行星的凌星現象。這顆行星被稱為HD 209458b，早先是通過視向速度發現的。幾周之後，和馬西一起，美國田納西州立大學的格雷戈里·W· 亨利（Gregory W. Henry）也看到了同一顆行星的凌星現象。由於同時發表了探測結果，因此這兩個團隊分享了發現權。
成功觀測到凌星現象不僅給天文學家提供了尋找太陽系外行星的第2條途徑，還賦予了他們測量行星密度的一種手段。視向速度法可以測量HD 209458b的質量。而在凌星現象中，由於恆星光線被遮擋的多少正比於行星的大小，因此天文學家就能知道行星的物理體積。［用質量除以體積顯示，雖然HD 209458b的質量只有木星的71%，但它的密度卻要比木星大38%。美國普林斯頓大學的天體物理學家亞當· 巴羅斯（Adam Burrows）把這一意料之外的結果稱為「一個有待解釋的問題」。］到這個時候，一大批天體物理學家意識到，利用凌星現象，也許可以研究太陽系外行星的大氣，克努森把這種方法稱為「非常聰明的辦法」。但事實上，在科學家首次觀測到凌星現象之前，美國麻省理工學院的天體物理學家、當時與夏博諾一起在哈佛大學讀研究生的莎拉· 希格（Sara Seager）就與導師迪米塔爾·D· 薩塞洛夫（Dimitar D. Sasselov）聯名發表了一篇論文，預言了當一顆行星正面經過宿主恆星，恆星光線穿過行星大氣時，一個觀測者會看到什麼樣的情形。物理學家早已知曉，不同的原子和分子會吸收不同波長的光（這個波長就是某種分子的特徵波長）。如果你要搜尋某種分子，就可以用它的特徵波長來觀測行星。由於只要含有這種分子的任何大氣，都會吸收這個波長的光線，因此行星大氣會變得不透明，使得行星看上去更大。
希格和薩塞洛夫提出，鈉特別易於探測。「鈉就像臭鼬的臭味，」夏博諾說，「只要有一點，你就能發現它。」他比任何人都清楚這一點：2001年，夏博諾、布朗及其同事再次觀測了凌星行星HD 209458b，這次他們用的不再是愛好者用的小型望遠鏡，而是哈勃望遠鏡。正如預言的那樣，他們很輕易地就探測到了鈉的信號。
次食現象
天文學家們意識到，還存在一種補充性的辦法來探測凌星行星的大氣。當一顆行星從宿主恆星前方經過時，觀測者看到的是它處於夜晚的一側。在其他時候，它所呈現出的則至少是部分的向陽側。而在它即將要轉動到恆星後方時，其向陽側則會朝向地球。儘管這顆宿主恆星要比它亮得多，但行星自身也會發光（行星在高溫下會發出輻射，主要是紅外輻射），且絕大部分集中在紅外波段。
然而，當行星運動到恆星後面時，它所發出的光會突然消失；它對該系統總輻射的貢獻也會終止。如果天體物理學家做一個前後比較的話，他們就能推測出這顆行星本身會是什麼樣子。「這種方法從根本上改變了我們面對的問題，」克努森說，「現在，我們要做的不是在一個非常明亮的東西附近，去探測一個極為暗弱的東西，而只是監測信號隨時間的變化情況。」早在2001年，當時在美國航空航天局戈達德航天中心的L · 德雷克· 戴明（L Drake Deming）就把夏威夷莫納克亞山上的紅外望遠鏡對準了HD 209458b，旨在目睹這一所謂的次食（secondary eclipse），但他說並沒有觀測到這一現象。
不過，和夏博諾一樣，戴明也知道，計劃於2003年發射的斯皮策空間望遠鏡幾乎可以肯定能看到次食。這兩位彼此互不相識的天體物理學家為此都申請了「斯皮策」的觀測時間。他們都獲得了一定的觀測時間，並取得了數據。戴明回憶說，在那之後，大概在2005年初的一天，他收到了語音留言：「德雷克，我是哈佛大學的戴維· 夏博諾。我聽說你最近做了一些有意思的觀測。也許我們該聊一聊。」
結果，戴明（與希格合作）和夏博諾使用同一架望遠鏡，幾乎同時第一次觀測到了次食。兩個團隊同時公布了他們對兩顆不同恆星的觀測結果——戴明團隊的觀測是已被廣泛研究的HD 209458b，夏博諾團隊觀測的則是TrES-1。一年後，戴明的團隊還觀測到了太陽系外行星HD 189733b的次食。「這開啟了用『斯皮策』來觀測次食的浪潮……」希格和戴明在2010年的一篇綜述論文中寫道，「準確地說，沒有人預料到，作為探測太陽系外行星大氣的工具，『斯皮策』有這麼強的能力和如此驚人的影響力。」實際上，希格說：「我們現在使用『哈勃』和『斯皮策』的方式，以及它們的觀測精度，是當初建造這兩台望遠鏡時所沒有的想到的。」
斯皮策空間望遠鏡可以探測到，太陽系外行星運動到宿主恆星背後時引起的恆星亮度的微小變化。
行星的大氣層
希格說，這些研究向我們證明了一些東西。「在某種程度上，這聽起來平淡無奇，但我們發現類木行星的溫度確實很高。我們測量了這些行星的亮度和溫度」，而科學家觀測到的結果與他們預期的、恆星對行星加熱的效果是相符的。希格說，「我們還探測到了一些分子。那麼，現在我們所發現的是否與我們所預期的大相徑庭呢？肯定不是這樣」。現在，物理學家可以在一定溫度下，利用一些元素，直接構建氣體球模型，然後分析最終會形成哪些分子。「物理和化學規律是普適的，」希格說。
然而，西格和其他天體物理學家也知道，儘管太陽系外行星的大氣總體上相近，但每一顆行星在很多方面都有所不同。其中一點便是，溫度是如何隨著高度變化的。一些行星，例如太陽系中的木星和土星，溫度具有逆增性，即隨著距地面高度的增加溫度不降反升。另一些行星則不存在這一現象。「問題是，」克努森說，「我們並不知道是什麼原因造成了溫度逆增現象，因此我們也無法預言，哪些太陽系外行星會或者不會具有這樣的特徵。」一些天體物理學家認為，具有逆溫性的太陽系外行星可能含有一些吸熱的分子，例如氧化鈦，但到目前為止這還僅僅是一個假說。
科學家面臨的另一個問題是，某些行星的大氣組成是否和其他行星有所不同。現任職於美國耶魯大學的尼庫· 麥杜蘇德漢（Nikku Madhusudhan）分析了太陽系外行星WASP-12b的可見光和紅外信號，推測出這個行星的大氣的含碳量異常高，與氧元素相當。
從理論上推測，如果在同一行星系統中，其他更小的行星上的碳氧比超過0.8的話（考慮到行星都形成於同一個氣體和塵埃盤中，這是很有可能的），那麼這些行星就會形成由碳化物——富含碳的礦物——構成的「岩石」，而不是我們太陽系中富含硅的硅酸鹽岩石。如果這一現象確實存在，那麼WASP-12系統中一顆地球大小的行星也許就會由鑽石構成。
希格和其他人所撰寫的論文提出，目前無法排除一些行星主要是由碳甚至是鐵所構成的可能。然而，對於WASP-12而言，事情或許並非如此。克努森說，德國馬普天文研究所的伊恩· 克羅斯菲爾德（Ian Crossfield）最近發現，來自WASP-12的光線中，還混雜有一個更為暗弱的雙星系統的光線，這對於解釋WASP-12系統中行星的組成，留下了一些疑問。
自2011年起，天文學家平均每周都能發現3顆太陽系外行星，目前共發現861顆。這幅圖描繪了這些已知行星到太陽的距離。點擊查看大圖。
水世界？
到目前為止，天文觀測都集中在太陽系外行星GJ 1214b上，這顆行星圍繞著一顆紅色的M型矮星轉動，距離地球約40光年。如此近的距離使得GJ 1214b相對易於研究，而且它的直徑僅為地球的2.7倍，比起最先發現的太陽系外熱類木星，也更加接近地球。「它是每個人都鍾愛的『超級地球』，」美國芝加哥大學的研究生勞拉· 克萊德伯格（Laura Kreidberg）說，他目前正在分析一個觀測項目所獲得的數據。
GJ 1214b於2009年由「M地球」計劃發現，該計劃由夏博諾牽頭，旨在搜尋M型矮星周圍的行星。夏博諾的想法是，比起更大的恆星而言，在這些相對較小，而且比較暗弱的恆星周圍尋找較小的凌星行星會更加容易。首先，對於這樣的恆星，地球大小的行星能遮擋更多的恆星星光，也會對恆星施加更大的引力，讓科學家更容易測定行星的質量，進而確定行星的密度。其次，由於恆星較小，溫度較低，其宜居帶會比高溫的類太陽恆星更靠近自身，使得凌星現象會更可能被觀測到（因為行星軌道與恆星較近的話，不需要嚴格地側向面對觀測者，也能產生凌星現象）。最後，銀河系中M型矮星的數量要遠遠大於類太陽恆星——大約有250顆M型矮星與地球的距離在30光年之內，而在這一距離內，後者僅有20顆。
GJ 1214b還稱不上是第二個地球：它的直徑是地球的2.7倍，質量是地球的6.5倍，這使得它的平均密度介於地球和海王星之間。不過，如夏博諾和其他人在發現GJ 1214b後不久便意識到的，這一密度可以有多種不同的解釋。例如，這顆行星可以是由一個較小的岩質核心，外加一個巨大的絕大部分是氫的大氣層所構成；它也可以有一個較大核心，核心外周是較深的液態海洋，再外加一層富含水分的稀薄大氣。僅僅根據密度，科學家無法判別哪種可能性最大——儘管擁有海洋的可能性會更令人興奮，因為液態水是我們所知的生命存在的必要條件（但並不是充分條件）。
然而，當芝加哥大學的天文學家雅各布· 比恩（Jacob Bean）在不同波長上觀測GJ 1214b，希望能看到這顆行星的大小變化（表徵其大氣的厚度）時，他沒看到任何變化。這意味著兩種可能性：要麼這顆行星可能具有一個巨大的氫大氣層，但其中充滿著的雲和霾使之難以探測；要麼它有一個薄而多水的大氣層，無法被地面上的望遠鏡觀測到。2012年開始和比恩合作的克萊德伯格說，這類似於從遠處看山脈。「那裡也許有許多山峰，」她解釋說，「但如果你距離太遠的話，山脈看起來就會像一條平整的線。」
為了解決這個問題，比恩及其同事申請到了哈勃空間望遠鏡60個軌道的觀測時間（也就是圍繞地球運轉60周的時間），他們的觀測已經開始。這並非天文學家第一次用「哈勃」來觀測GJ 1214b，卻是迄今最深入的觀測計劃。比恩的這次觀測，會使用2009年5月「哈勃」升級維修時新安裝的大視場照相機3（Wide Field Camera 3）來進行觀測。運氣好的話，這一觀測將最終會弄清楚，GJ 1214b是否一個水世界。
終極目標
由於對太陽系外行星的搜尋已經持續了一定的時間，天文學家已開始尋找那些有著較長軌道周期的行星。這些行星遠離它們的宿主恆星，因此會比早先發現的類木星的溫度低。「長久以來，我們都一直局限在溫度為1 500K、2 000K的行星，它們的溫度實在太高了，」美國加州理工學院的克努森說。在這些行星上，「大氣中的絕大多數碳會和氧結合，形成一氧化碳，」她說，「真正有意思的事情出現在當溫度降低到1000K以下時，碳和氧會形成甲烷。」
儘管存在著不確定性（因為純粹的地質活動也能產生甲烷），但作為生物活動的信號，甲烷尤其吸引人。氧，尤其是臭氧——由三個氧原子組成的高活性分子，更可能是生命存在的信號。但由於臭氧的光譜信號很微妙，特別在相對較小的類地行星大氣中更是如此，因此臭氧也極難探測。
不過，對於溫度適中的超級地球，天文學家則在密切關注這些行星上的各種活動跡象。「所有這一切僅僅是一個練習，」希格說，「我的意思是，研究超級地球確實很有意思，但對於像我這樣的人來說，這類行星只不過是一塊墊腳石，我們最終的研究對象，將會是真正的『地球』大氣層。」
不過，在詹姆斯· 韋布空間望遠鏡以及新一代巨型地面望遠鏡（包括巨麥哲倫望遠鏡和三十米望遠鏡）投入使用前，可能還沒法找到其他「地球」。即便有了這些強大的設備，希格說，也要花費成千上萬個觀測小時，才可能找到其他「地球」。就算到那個時候也未必會清楚，到底能否探測到生命跡象。為此，天文學家可能仍然需要「類地行星搜索者」，但這個項目的經費已被大幅削減，確切的發射時間目前還不好說。
不過，迄今所取得的結果顯然已經超出了任何人在20世紀90年代的預期，希格甚至已經可以談論找到生命跡象的真實前景。我們所希望的，已不僅僅是外星文明會發現我們，向我們發送信號，我們已經在主動探索遙遠行星上的大氣，搜尋以那裡為家的生命的跡象。
《環球科學》2013年8月號封面
《環球科學》是《科學美國人》獨家授權中文版。《科學美國人》是全球科學家智慧與卓越見解的分享之地，創刊160多年來，148位諾貝爾獎得主在此發表文章，傳播科學理念及前沿科技領域的發展動態。
作為獨家授權的中文版，《環球科學》沿襲《科學美國人》嚴謹、客觀的報道風格，專註於對科學話題的深入挖掘，以多元化角度為各個行業的從業人員提供有關科技和商業的重要參考。
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（作者：Michael D. Lemonick；翻譯：謝懿；via Scientific American）
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