行星猎人正在寻找另一个地球

雅格布·普利斯科+高鹏

“我想发现另一个地球。我活着就是为了干这件事。”

麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格尔寻找系外行星已经有差不多20年时间了。

当第一颗系外行星在20世纪90年代被发现时，遭到了许多人的质疑，并且认为那不是真的。但自那以后，随着人类的技术越来越高，我们已经发现了超过6000颗系外行星，其中大多数是巨大的气态行星。

今天，在系外行星的名单上，每周都在增加新的成员。随着那么多系外行星走出了藏身处，这场比赛正在变成确定哪一颗行星与地球类似，是一个拥有液态水的岩石世界，并且适合生命定居。

西格尔相信，她知道怎样做才能有所发现。

“这些根本就不是行星！”

看到系外行星可不是一件容易的事，因为你不可能通过一台望远镜就看到它们，它们的宿主恒星发出的刺眼的光芒，严重影响了我们的观测。与太阳相比，这些光线的强度和特性可能非常不同。通常，观测系外行星的过程被描述为“试图从数千千米外辨认出一只环绕着一座灯塔飞行的萤火虫”。

第一批系外行星是在1995年通过观察恒星是否对另一个天体的引力做出响应，并发生轻微的晃动而间接发现的。此时，西格尔还只是一个正在为攻读博士学位而寻找课题的哈佛大学研究生。这片研究遥远行星的新生科学领域引起了她的兴趣。

“自从系外行星被间接发现以来，大多数人都不相信这些发现是真的。他们会对我说：‘你为什么要这么做？这些根本就不是行星！”西格尔说。

反对者也不是完全错误的，这种晃动也可能是由其他因素造成的，比如另一颗恒星的影响。但是后来，人们找到了一种完全不同的方法，使他们的搜寻工作变得更为简单，这种方法被称为凌日法。当一颗行星在其宿主恒星前面经过时，将导致该恒星的光线稍微变暗。

“如果一颗通过摆动技术探测到的行星显示出凌日现象，那么这颗行星的存在基本上就是无可争议的了。”西格尔说。

外星大气层

西格尔不想只是简单地寻找遥远的行星，她把目光投向了更具体的东西—它们的大气层。她是第一个这样做的人。

“大气层是很重要的，因为它是人们寻找生命迹象的一条途径：我们看到的气体也许原本并不存在于这些行星上，它们也许是某些生命形式制造出来的。”她解释说。

但是，观测到一颗系外行星已经是相当困难的事情了，如何才能观察它们的大气层呢？这时，恒星发出的光就派上用场了。“当一颗行星运行到其恒星前面产生凌日现象时，我们就可以仔细分析其大气的成分了。这要多谢那些恒星发射出的穿越了行星大气层的光芒。”西格尔说，“观测就好像是欣赏彩虹发生的过程。如果你近距离观察彩虹，就能看到在颜色之间有细小的黑线，也就是说有一部分颜色失踪了。这些黑线之所以存在，是因为地球的大气层吸走了其中的一些光线。”

对特定气体来说，这些黑色的线条就像是其指纹，同时也是可以用来破译行星大气层中存在哪些气体的专用工具。1999年，西格尔提出，一种特定的元素—钠—应该留下一个可检测的“指纹”。“这就像臭鼬放的臭屁：一丁点的钠就能制造出一个很大的印迹。”她说。

西格尔是正确的。2年后，人们使用哈勃空间望远镜证实了她的预言，在一颗热木星的大气层中发现了钠。热木星是比地球大很多倍的气态星球，它们的轨道非常接近其恒星，这让它们非常灼热。

因为它们的个头够大，所以热木星是最容易被发现的系外行星，到目前为止，人们已经发现了数百个热木星。但是它们没有固体表面，与地球完全不同。

要想发现生命，我们需要寻找那些个头较小的岩质行星，就像地球一样。

宜居带

与寻找热木星相比，寻找岩质行星要困难得多，主要是因为它们的个头相对较小。在对这些岩质行星的大气进行分辨时，我们要寻找的就不再是钠了。

“在一颗行星的大气层中，我最想看到的东西就是水蒸气。”西格尔说，“ 在一些类似木星的巨行星上我们看到了水蒸气，因为在它们的大气层中含有水蒸气是很自然的事情。但到目前为止，我们还没有在一颗岩质行星上看到水蒸气。”

探测到一颗岩质行星的水蒸气，将是该行星上存在液态水的指示性信号，也就意味着该行星上有生命存在的可能。

“地球上所有的生命都需要水，因此我们相信，宇宙中所有的生命也都需要一种液体。”西格尔说。

创造生命需要液体，这是对分子的化学性质进行理论推导得出的结论，因为分子需要液体来进行反应并重组，从而形成其他东西—比如生命形态的东西。“很简单，在太阳系外，水是最丰富的液体了。”西格尔说。

对一颗行星来说，要想拥有液态水，必须满足一些基本的条件：表面温度不是太热也不是太冷。这些都取决于行星与其主恒星之间的距离：既不能太近，也不能太远。

天文学家将这一最佳位置称为“宜居带”（译者注：宜居带， 英文也叫作Goldilockszone，直译为“金发女孩居住的区域”）。天文学家取这个名字，是从美国童话《金发女孩和三只熊的故事》中得到的启发。在这个故事中，金发女孩喜欢她的粥“不是太冷，也不是太热，而是刚刚好”。

此类行星并不罕见，但是人们在发现它们的过程中所面临的挑战，使它们给人们留下了很罕见的印象。

“在与太阳相似的恒星中，多达1/ 5都可能拥有一颗存在液态水的行星。而且即使是由于事情的快速变化表明这个数字可能是错误的，但是我们起码很确切地知道，小的岩质行星并不罕见。”西格尔说，“仅仅在我们的银河系中，就可能存在多达数十亿颗类地行星。”

浩渺星系中的最佳行星

在迄今发现的6000多颗疑似行星中，大约有2000颗已经得到确认，是实实在在的行星。但是其中只有大约3 0颗被认为是潜在宜居的。

2014年，美国航空航天局第一次发现了在其主恒星宜居带运行的、地球大小的行星。这颗行星被命名为开普勒-186f，距离我们大约500光年，位于天鹅座内。

它的发现被美国航空航天局描述为“在寻找像地球一样的行星上，迈出了重要的一步”。开普勒-186f环绕着一颗常见的、被称为红矮星的恒星运行，该恒星的大小约为太阳的1/2。

随后，2015年，天文学家发现了第一颗环绕着类似太阳的恒星运行的类地行星—开普勒-452b。这颗行星被称为地球的“大表哥”，比地球大60%，并且每385天环绕其恒星运行一周。

然而，以我们目前的技术，除了能够知道一颗系外行星的大小以及距离其主恒星有多远以外，很难再知道更多的东西了。

人类在太空中的新眼睛

但是这一切即将发生改变。

大多数系外行星是由开普勒空间望远镜发现的，它们中的大多数也都是以开普勒的名字命名的。开普勒空间望远镜是2009年发射的，由于一起故障，现在该望远镜在距离地球12070万千米之外，已经进入了紧急模式。

要研究地球潜在的双胞胎星球的大气层，科学家需要在太空中有新的眼睛。

西格尔参与了美国航空航天局的一个新计划，将专门巡视我们附近最亮的恒星，以探寻位于这些恒星的宜居带内的小型岩质行星。该计划将在2017年开始执行。

该计划被称为“TESS”（Transiting Exoplanet Survey Satellite 的英文缩写，意为凌日系外行星调查卫星），为期2年。它的使命是积累数据，为预计在2018年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜提供基础数据。詹姆斯·韦伯空间望远镜是哈勃空间望远镜的继任者，西格尔说：“这将是一次惊人的壮举。”

詹姆斯·韦伯空间望远镜以20世纪60年代美国航空航天局开创时代的领导者詹姆斯·韦伯命名，得益于其使用的主镜（大约比哈勃空间望远镜的主镜大5倍），它将以前所未有的清晰度窥探宇宙。它还能使用特殊设备阻断宿主恒星的刺眼光线，从而为系外行星提供直接成像。这将使西格尔和其他天文学家能够以前所未有的方式研究系外行星。

西格尔相信，在他们搜索的行星中，有很多都是她一直以来寻找的、充满水的岩质行星。

“我有绝对的把握，它们就在那儿。”