寻找美丽新世界

马磊

1897 年，法国画家保罗·高更失去了自己的女儿，贫病之中的他认为自己的人生也即将走到尽头，于是画了著名的《我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？》来对自己的人生进行总结。

从整个人类文明的角度来思考高更的三句生命之问，或许可以解释为：生命火种真的来自地球吗？我们是宇宙间孤独的存在吗？茫茫宇宙中还有没有我们可以居住的星球？

人類对行星的了解，曾经一度被限制在太阳系内。我们可以精确地计算太阳系内各个行星的轨道，可以用铅笔发现海王星。但是我们对太阳系内行星了解得越多，有一个问题就会越来越重要：行星，真的只在我们的太阳系中才有吗？早在18世纪的时候，人们就已经尝试过寻找太阳系外的行星了。只不过由于当时技术所限，找到系外行星就成了遥不可及的梦想。在此后的200多年里，这个梦想一直都是人类难以碰触的。

当时间来到1988年，寻找行星的梦想第一次变得触手可及。这一年，布鲁斯·坎贝尔和他的合作者在其发表的文章中提到，他们发现一颗恒星受到了一些扰动，并含蓄地指出这个扰动可能是由于围绕恒星转动的行星造成的。虽然直到 2003 年其他的研究组才确认了这个扰动确实是一颗行星造成的，但是我们可以说，第一颗系外行星在 1988年就已经被探测到了。1995 年，人们确认了第一颗围绕主序星（例如太阳就是主序星）运动的系外行星，名为“飞马座51b”。第一颗行星竟然起名字叫作b，天文学家果然也是喜欢给自己留有余地。在系外行星的命名系统中，总是从 b 开始的。这跟电脑硬盘总是从 C 盘开始有异曲同工之妙。

好事多磨，这之后的十几年间，并没有很多令人激动的关于系外行星的消息。然而，此后随着各类技术的进步，尤其是“开普勒”卫星的发射，系外行星的发现已经不再稀有。截至 2017 年3月，被确认的系外行星已达到3000多颗，并且有500多个多行星系统。人们对系外行星的关注度也越来越高。2017 年2月，美国国家航空航天局（NASA） 的新闻发布会提到了位于宝瓶座内的TRAPPIST-1 恒星竟然有 7 颗类地行星，其中有 3 颗距离其宿主恒星不远不近。也就是说，如果这3颗行星上有水的话，是可以以液体形态存在的。科学家们推测，这3颗行星是可能孕育类似地球生命的地方。

随着越来越多的系外行星被发现，有些原来看起来很遥远的科幻小说中的情节，也突然变得亲切起来。毕竟，人类未来第一个星际飞行的目的地，很可能就隐藏在现有的系外行星列表中。面对玄学一般的生命起源问题和宇宙中其他文明是否存在的问题，我们也似乎不再深感迷茫，而是渐渐感受到来自太空深处的一丝曙光。

系外行星的探测历程

行星，每个人都很熟悉，我们脚下的地球，就是一颗岩石行星。抬头仰望星空，有时候也会看到土星、木星这些比地球大很多的气态巨行星。然而，这些行星都处于太阳系内，距离太阳最近的恒星是半人马座Alpha，光也要穿梭 4.37 年才能到达这么远的地方，如果是飞机的话，要500万年才能到达。实际上，大多数恒星距离太阳要比这远得多。当我们以肉眼观察星空的时候，是没有可能直接看到这样遥远的太阳系以外的行星的。

那么使用望远镜呢？现在望远镜的种类其实非常多，有些望远镜的外观甚至可能完全超乎大家的想象。不过我们提到“望远镜”这个词的时候，主要是指那种巨大的带着透镜或者反射镜的光学望远镜。科学家使用光学望远镜探测系外行星的梦想，正如开篇所说，持续了接近200年。而现在，直接通过光学望远镜看到系外行星的影像，早已实现。例如，图1就是位于飞马座中的3颗行星的影像。

然而，通过这样的直接影像寻找系外行星并不容易。我们可以想象一下，当晚上开车的时候，往往难以看清对面开远光灯的车辆上的司机，这是因为车灯太过耀眼。类似的，看清楚紧紧挨着恒星的行星也非常困难，因为系外行星的亮度往往是其宿主恒星的十亿分之一，而且距离宿主恒星又相对比较近。不过，科学家通过使用仪器遮住其宿主恒星等方法，现在的望远镜还是可以看到行星的。比如，“新世界任务”就是一个通过对恒星遮挡进行系外行星研究的项目。

虽然直接看到系外行星的影像非常困难，天文学家还是有各种各样的方法来探测系外行星。这些方法主要基于两种原理：第一种是当行星运行到其宿主恒星和我们地球之间的时候，恒星的光线会被行星遮挡，从遥远的地球看来，恒星像是突然变暗了，这种方法叫作掩星法;第二种是因为行星的存在，导致恒星在天空中的位置有些很小的扰动，从而导致我们观测到的恒星的光谱出现一些变化，这种方法叫作径向速度法。

目前找到系外行星最多的“开普勒”卫星，所利用的就是第一种方法，也就是掩星法。虽然原理听起来很简单，但是实际上操作起来非常困难，因为一颗地球大小的行星对恒星遮挡的时候，可能只产生万分之一的亮度降低。另外，如果行星围绕恒星转动的平面垂直于我们的视线，那么行星运行过程中并不会对恒星进行遮挡，这种方法也是无效的。掩星法的另一个缺点是，如果行星围绕恒星的公转周期很长，可能我们对恒星观测了很久，却没有等到行星恰巧对恒星进行遮挡的时候，也就无从谈及恒星亮度的变化了。

第二种方法，径向速度法，也并非完美。所谓行星围绕恒星转动，其实是恒星和行星围绕它们共同的质量中心转动，只是因为恒星质量比行星大很多，两者的质量中心基本上靠近恒星的中心，所以恒星位置变化不明显。这就好比每次气急败坏想要把对方扔出去的时候，总会发现自己也会被甩开，如果对方体重比较大，那基本上就会变成自己被甩出去了。但是如果我们仔细地观测恒星的光谱，恒星这种微小的前后摆动，会在光谱上展现出来。光谱发生变化的原因是由于多普勒效应。根据我们的日常生活经验，当开着警笛的车辆朝我们开过来的时候，音调往往会高一些，而当这辆车离我们远去的时候，音调往往会低一些。如果我们能够知道车辆停在我们身边的时候音调的样子，那么原则上我们就可以通过听警笛的声音来判断车辆到底是离我们越来越近还是越来越远，甚至还可以判断车辆的速度。类似的，恒星往前或者往后摆动的时候，它发出的光也会往更高频率或者更低频移动。我们可以根据这种移动来判断是否有系外行星。

当然，实际上用来探测系外行星的方法并不仅仅局限于上面提到的直接影像、掩星法和径向速度法，还有诸如观测行星的引力场带来的光线的变化等方法。

行星与生命

在已经确认的几千颗系外行星中，最显著的特色就是系外行星多种多样。不管是体积大小，还是公转周期、行星密度，都是多种多样的。这些多样性也促使我们思考这样一个问题：我们的太阳系真的是独一无二的吗？

实际上，太阳系并非独一无二。在系外行星中，有不少是多行星的恒星系，也有很多岩石行星。在文章开始也提到了最近发现的 TRAPPIST-1， 这颗恒星拥有7颗岩石行星，甚至有3颗是处在温度很温和的轨道上。

所有这些发现，实际上使得“费米悖论”变得更加重要：我们发现了这么多行星，可是为什么我们还没有遇到外星人呢？他们都到哪里去了？

1950年，著名物理学家费米听到有朋友提到外星文明的事情，他觉得很奇怪，就问了这样一个问题：“那他们在哪里呢？”费米问出这个问题的时候，我们并没有观测到太阳系之外的行星，在那样一个年代，这样的问题似乎只是一个趣味思辨题目。现在，我们已经确认了几千颗系外行星，而且这个数字还在继续增长。时至今日，费米的这个问题越来越重要——如果有那么多的系外行星，有些可能成为生命的栖居地，甚至出现高等文明，我们为什么还没有与这些文明相遇呢？

或许在思考地球以外的高等文明以前，我们应该退一步思考一个更加基本的问题：我们发现的这些系外行星上可能有生命吗？

我们并不能够列举出所有可能的生命形式，但是我们知道生命有一种已经成功的形式，那就是地球生命。如果系外行星具备多样性的话，很有可能生命也是多样的，更不用说文明了。所以天体生物学的努力方向也是多样的，当然科學家考虑最多的还是类地生命和类地文明这样的范式。

现在用于评判一个行星是否（对类地生命）宜居，有很多不同的标准，而且新的标准也在不停地被提出。这些标准主要涉及内容包括：是否是像地球这样的岩石行星;环境温度是否可以存在液态水;是否拥有大气层;是否适合（类似地球上的）植被生长等。即便按照这些标准，有些系外行星跟地球也是很相似的。

观测行星的大气层，对于判断一个行星是否宜居至关重要。行星大气的观测可以提供给我们非常丰富的信息。通过观测它的光谱，我们可以了解行星大气的密度、成分，是否存在云层、雾气或者海洋，甚至是否有类地文明。

在当今的天体物理学杂志上，与行星大气相关的论文数量非常多，说明这是一个非常热门的研究课题。这些科学研究主要的手段还是使用行星的光谱。例如，系外行星运行到其宿主恒星前面，这颗恒星的光会透过行星边缘的大气层被我们看到，由于不同的物质分子会吸收不同波长的光，我们观测到的恒星光谱就会因为这些吸收而不同。通过观测哪些波长被吸收以及被吸收的程度，就可以推断大气中含有哪些分子及其含量，从而断定其成分。预计于 2018 年发射升空的“詹姆斯·韦伯”太空望远镜的一个任务，就是要对更多的系外行星进行更加精确的光谱分析。

在行星大气观测过程中，最让人感到兴奋的是，由于有些特定的分子是很难在行星演化的过程中自行产生的，而在人类文明的工业活动中很容易产生，所以通过追踪系外行星大气中这样的分子，我们就可以推测这颗系外行星是否有可能存在类似人类的工业文明。虽然这可能是在众多可能的文明类型中一个非常小的一个分支，但是这至少为我们提供了一个机会。

林、阿巴德和勒布三位研究者曾撰写论文讨论使用“詹姆斯·韦伯”太空望远镜来追踪这类分子的可行性。他们选取的分子是四氟化碳和一氟三氯甲烷这类工业污染物质，因为这些分子比较容易从光谱中被分辨出来。当行星运行到恒星前的时候，我们可以首先查看是否有水蒸气、氧气和二氧化碳等传统的类地生物所需要的物质;然后我们可以检测是否有大量的甲烷和氮的氧化物，这可能是外星文明大量使用化石燃料的第一个迹象;在之后可以查看是否有气体的工业污染的迹象，例如四氟化碳和一氟三氯甲烷此类。通过这样的逐步筛查，我们就可以初步估计某些系外行星是否有使用化石燃料的高等文明存在。当我们有足够的数据的时候，就可以分析这些具有生命的行星在宇宙中的分布，从而分析宇宙中生命的起源。

隐藏地球

著名理论物理学家斯蒂芬·霍金曾经提出警告，如果发现外星文明，不要与其联系，因为可能存在未知的风险。然而，通过上面的这些分析我们会发现，在茫茫宇宙之中，一颗貌似孤独的行星其实无时无刻不在释放大量的信息。因此，我们自然会思考：如何保护地球不被其他的高等文明探测到呢？虽然地球的信息可能是通过某些人类科技尚未能够企及的方式被外星文明探测到的，但是作为保护自己的第一步，我们要考虑，如何才能使地球免于被上文提到的方法探测到。

来自哥伦比亚大学的研究者基平和缇奇在一篇论文中讨论了使用激光来保护地球的方法。如果在遥远的地方，有一个高等文明正在使用掩星法来扫描星空、寻找系外行星，这时候我们只需要在每次地球运行到太阳和这个文明之间的时候，朝这个文明的方向发射适当强度和某些波长的光，就可以补偿地球对太阳光的遮挡，这样对方就不会探测到地球的存在了。论文作者估算，如果使用激光的话，这类装置的耗电量只需要一个小型核电站就足够了，从长远来看，这样的装置显然是可行的。同样的方法还可以掩盖地球大气光谱中的一些分子的信息，通过向对方发射某些特定波长的激光，就可以补偿地球大气中某些分子对特定波长的光的吸收。

同时，这也从另一个方面提醒我们，如果人类在对系外行星进行观测的时候，发现了一些并不是十分自洽的情形，那么就需要考虑是否是对方在尝试使用一些方法来屏蔽我们的探测了。

一个新的时代

整个人类正处在一个巨大的历史事件发生的前夕。系外行星带给我们的不仅仅是宇宙中的几颗行星，也不是新闻中的几幅人类对系外行星的艺术想象图，这更是一个促使我们思考的契机：我们脚下的行星在这茫茫宇宙中到底处于什么样的位置？地球生命有着什么样的过去？人类文明的未来又该走向何方？

如果有一天，我们探测到了系外行星上的文明，我们知道他们的存在，却没有足够的能力透过遥远的星际空间告诉他们;或许他们也已经知道了我们的存在，却同样无法与我们传递信息。两个文明，中间隔着无法跨越的时空，就这样孤独地各自生活吗？

这些问题的答案，也许都会在不久的将来一一揭晓。

【责任编辑】张小萌