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比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!

比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!



天文學家在距離太陽最近的恆星——半人馬座比鄰星周圍發現了一顆行星。在這幅藝術家繪製的想像圖中,比鄰星這顆紅矮星出現在這顆行星的地平線上方,而在比鄰星這顆「太陽」的右上方還能看到另外兩顆亮星,它們是半人馬座α(南門二)雙星。這顆行星比地球略大一些,處在比鄰星的宜居帶內,溫度適宜讓液態水存在於行星的表面。圖片來源:ESO/M. Kornmesser

天文學家利用歐洲南方天文台(ESO)的望遠鏡,以及其他天文觀測設施,已經找到了確鑿的證據,表明有一顆行星正圍繞著距離太陽最近的恆星——半人馬座比鄰星(Proxima Centauri)運轉。這顆人們搜尋了很久的行星,編號為比鄰星b,每11天就繞著它那顆寒冷的紅色母星公轉一圈,溫度也適合液態水存在於它的表面。這顆岩石星球只比地球略重一點,是離我們最近的系外行星——或許也是距離我們最近的太陽系外生命可能的居所。描述這一里程碑式發現的論文,2016年8月25日將發表在《自然》雜誌上。


比鄰星是一顆紅矮星,距離太陽系只有4光年多一點,是除太陽以外離地球最近的恆星。這顆溫度較低的恆星位於半人馬座,太過黯淡而無法用肉眼看見,附近還有另外兩顆比它明亮得多的恆星——半人馬座α(南門二)A和B。


上面那張照片展現了歐南台拉西亞天文台3.6米望遠鏡的圓頂,以及圓頂上方的南天星空,具體星座及南門二和比鄰星的位置參見圖注。下方兩張插圖則是哈勃空間望遠鏡拍攝的南門二雙星(左下)和比鄰星。比鄰星是距離太陽系最近的恆星,天文學家發現那裡有一顆行星。圖片來源:Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani

比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!


2016年上半年,歐南台設在智利拉西亞天文台的3.6米望遠鏡,利用HARPS攝譜儀對半人馬座比鄰星進行了定期觀測,同時還通過世界各地的其他望遠鏡對它進行監測。這一觀測項目被稱為「黯淡紅點」(Pale Red Dot),在英國倫敦瑪麗王后大學的吉列姆·安格拉達-埃斯契德(Guillem Anglada-Escudé)的帶領下,一個天文學家團隊試圖尋找這顆恆星細微的前後搖擺——如果有行星繞著這顆恆星旋轉的話,行星的引力就可能導致恆星出現這樣的運動。


由於這一課題在公眾間引發了極為廣泛的興趣,從2016年1月中旬到4月,整個觀測項目所取得的進展都通過「黯淡紅點」網站及社交媒體對外公開。《自然》雜誌上即將發表的那篇報道,也配發了世界各地其他專家撰寫的幾篇延伸閱讀文章。


吉列姆·安格拉達-埃斯契德解釋了這項獨特研究的背景:「可能存在一顆行星的最初線索出現在2013年,但當時的探測結果並不是很有說服力。從那時起,我們就一直在努力推進,在歐洲南方天文台及其他天文台的幫助下,通過地面望遠鏡取得進一步的觀測。最近進行的『黯淡紅點』項目就是規划了大約2年的結果。」


這張圖片展示了一些天體的大小比例,包括南門二雙星和比鄰星,以及其他一些大小已經被甚大望遠鏡干涉儀(VLTI)精確測量的恆星。太陽和木星也被繪製在圖中,作為對比。可以看出,比鄰星是一顆非常小的恆星,直徑甚至只比木星大一點點。圖片來源:ESO

比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!



「黯淡紅點」項目獲得的觀測數據,結合歐南台及其他天文台此前對比鄰星的觀測,揭示出了明確的信號,指向了一個真正令人激動的結果。有時,比鄰星以每小時大約5千米的速度靠近地球,大概相當於人類正常的步行速度,有時它又以同樣的速度遠離地球。徑向速度上的這種有規律的變化模式,每過11.2天就會重複出現一次。根據多普勒效應,這樣的徑向運動會導致比鄰星的光譜發生微妙的偏移。通過對這些偏移的細緻分析,科學家推斷那裡存在一顆質量至少為地球1.3倍的行星,在大約700萬千米的距離上繞著比鄰星運轉——這個距離只有太陽到地球距離的5%。


吉列姆·安格拉達-埃斯契德對過去幾個月來他的興奮之情作了如下評論,「在『黯淡紅點』項目持續進行的那60個夜晚,我每一天都在檢驗這個信號是否保持一致。頭10天的數據看起來很有希望,頭20天的數據與預期相符,到了第30天,結果已經相當明確了,所以從那天開始我們就在撰寫論文了!」


藝術家畫筆下的比鄰星b,這顆行星繞著距離太陽系最近的恆星——比鄰星運行。半人馬座里明亮的南門二雙星也出現在畫面中的行星和比鄰星之間。比鄰星b質量比地球略大,在宜居帶內繞著比鄰星旋轉,可以有液態水存在於行星表面。圖片來源:ESO/M. Kornmesser

比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!



比鄰星這樣的紅矮星是一類活躍的恆星,它們能夠通過多種方式發生變化,「模擬」出一顆行星存在的信號。為了排除這種可能性,在「黯淡紅點」項目持續進行期間,天文學家團隊還利用智利聖佩德羅德阿塔卡馬天文台的ASH2望遠鏡和拉斯昆布瑞天文台全球望遠鏡網路,對比鄰星的亮度變化進行了極為仔細的監測。比鄰星發生耀閃時採集的徑向速度數據,在最終分析時被排除掉了。


儘管比鄰星b環繞恆星公轉的軌道,要比太陽系裡水星環繞太陽的軌道更近得多,但比鄰星本身也比我們的太陽要黯淡得多。結果就是,比鄰星b非常舒適地處在比鄰星的宜居帶內,估算出來的表面溫度允許水以液態形式存在。儘管軌道適宜,但比鄰星b這顆行星的表面環境,或許還會受到來自那顆恆星的紫外線及X射線耀閃的劇烈影響——要比地球所受來自太陽的高能輻射強烈得多。

這張信息圖示將比鄰星b的行星軌道與太陽系裡的同一區域作了對比。比鄰星比太陽更小,溫度也更低,這顆行星環繞比鄰星的軌道也遠比水星環繞太陽的軌道要近得多。新發現的這顆行星位於比鄰星的宜居帶內,液態水能夠在這顆行星表面存在。點擊圖片可以放大。圖片來源:ESO/M. Kornmesser/G. Coleman

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兩篇獨立的文章探討了比鄰星b的宜居性及氣候。他們發現,目前還無法排除這顆行星上存在液態水的情況,如果真有液態水存在,那麼水也可能只存在於這顆行星上陽光最充足的區域,不是這顆行星永遠朝著比鄰星的那一面(同步自轉),就是赤道帶附近(3:2共振自轉)。比鄰星b的自轉、來自比鄰星的強烈輻射,以及這顆行星的形成歷史,使得那裡的氣候與地球全然不同,不太可能擁有季節變化。


儘管比鄰星實際上要比太陽小很多,但由於距離很近,在新發現的行星上看來,比鄰星的大小是地球上看到太陽大小的3倍。圖片來源:ESO/G. Coleman

比鄰星發現宜居類地行星,只有4光年遠!



發現這顆行星只是一個開始,未來天文學家將對它展開更全新的觀測,不論是使用現有設備,還是使用下一代的巨型望遠鏡,比如歐洲特大望遠鏡(European Extremely Large Telescope,E-ELT)。比鄰星b將成為在宇宙中其他地方搜尋生命存在證據的首要目標。事實上,半人馬座α南門二系統也將是人類首次嘗試星際旅行,也就是所謂的「突破攝星」計劃的目的地。


吉列姆·安格拉達-埃斯契德總結說,「儘管已經找到了許多系外行星,而且未來還會找到更多,但搜尋最近的類地行星並取得成功,對我們所有人來說都是終生難得的一次體驗。許多人的故事和努力都匯聚於這一發現。這個結果對於他們所有人來說也是一份大禮。接下來的任務是,在比鄰星b上尋找生命……」


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