真的存在另一个地球吗？

宋媛媛

夜幕降临，当你抬头仰望满天繁星时，是否想过，在浩瀚的宇宙中，也许有一个星球和地球一样存在著生命？此刻，那颗星球上的生命，是否也在仰望宇宙呢？

除了太阳系内的行星，夜空中我们看到的数不尽的繁星几乎都是恒星。整个银河系约有3000亿颗恒星，这些恒星大多都像太阳一样发光发热，有的甚至比太阳大几十倍、几百倍，只不过它们距离我们非常遥远，所以传到地球上的光就显得非常微弱了。

行星本身并不具备发光能力，金星、火星、木星等都是因为反射了太阳的光才变得如此明亮。太阳系外有行星吗？答案是肯定的，太阳系以外的行星我们称之为系外行星。人类第一次发现系外行星是在1992 年，两位射电天文学家亚历克山大·沃斯赞和达尔·福莱尔发现有两颗行星正围绕恒星遗骸——脉冲星PSR 1257+12运行。这个系外行星系统位于室女座，距离我们约2300光年。这一发现震惊了世界，从此，天文学上开启了探测系外行星的新篇章。

然而天文学家们更热衷于探测一些“中青年”恒星周围的行星，因为这样的恒星的行星系统才稳定，更适合生命存在。截至2019年9月，天文学家已经确认了4000多颗系外行星，还有更多的候选行星等待被确认。

系外行星科学假想图

怎样探测系外行星？

我们能直接观测到系外行星吗？难度非常大。因为行星本身不发光，体积又比恒星小很多，所以行星的身影很容易被恒星明亮的光芒掩盖，目前也只有几十颗系外行星能被直接观测到。

天文学家们寻找系外行星，更多的是运用间接的技术，对恒星本身进行分析。

第一幅系外行星的图像（红外波段），是智利的甚大望远镜于2004年拍摄的。图像中央的恒星2M1207是一颗褐矮星，左下角的行星2M1207b质量大约是木星的3～10倍，这个恒星系统距离我们约170光年。

第一幅系外行星图像

视向速度法

恒星多普勒效应

行星围绕恒星运动，恒星反过来也会受到周围行星摄动力的影响，发生周期性微小的摆动。行星的质量越大，恒星受到影响的摆动也越大。如果这种周期性微小的摆动被探测到，不就恰好证明了这颗恒星拥有行星吗？那么如何才能探测到这种微小的摆动呢？其中一种方法就是利用恒星光谱的多普勒效应。

恒星多普勒效应

提到多普勒效应，我们首先想到的是声音的多普勒效应，一辆一直鸣笛的汽车迎面驶来时，鸣笛声会变得尖锐，音调变高;车离去时，鸣笛声变得低沉，音调变低。这是因为声波向观察者接近时，波长变短;声波远离观察者时，波长变长。

声音的多普勒效应

不仅是声波，其他类型的波同样也有多普勒效应，比如电磁波。无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波，但它们的波长不同。可见光中红光的波长最长，紫光的波长最短，所以当电磁波接近观察者时，波长变短，向蓝紫光方向移动，称为蓝移;当电磁波远离观察者时，波长变长，向红光方向移动，称为红移。

恒星发出的光被我们的望远镜捕捉到后，进行分析，如果发现有周期性红移现象和蓝移现象，说明恒星很可能受到行星的影响而发生摆动。这种方法被称为视向速度法。其实，恒星运动的幅度是非常小的，观测难度很大，目前的技术可以识别1米/秒的视向速度变化已经非常厉害了。不过，如果恒星运动垂直于我们的视线，我们就很难观测到它的运动了。

利用HARPS光谱仪发现的罗斯128b系外行星

凌星法

你听说过“水星凌日”“金星凌日”的奇妙天象吗？如图所示，从地球上看，水星和金星有时会从太阳表面经过，在日面上留下它们的身影。

2004年的金星凌日

系外行星与其围绕的母恒星也会发生这种现象，即行星凌星。如果这种现象被观测到，就能证实系外行星的存在。当系外行星发生凌星时，恒星由于被部分遮盖，亮度会减弱。利用高灵敏度的测光技术测量恒星亮度的变化周期和幅度，就可以推测出系外行星的情况了。

金星凌日现象在地球上并不常见，可以想象系外行星凌星这样的情况，也要非常“凑巧”，才能被我们捕捉到。为了提高发现概率，天文学家需要长时间反复观测数以千计的恒星。此外，凌星法也容易受很多因素的干扰，探测凌星现象需要一个稳定的观测条件，太空望远镜就非常适合承担这项任务。因为避免了地球大气层的干扰，太空望远镜可以连续不间断地对恒星进行高精度观测。

除了视向速度法和凌星法，直接成像法、天体测量法、引力透镜法等也可以用来寻找系外行星。不过，视向速度法和凌星法是较为常用的两种探测方法，特别是凌星法，一般的太空望远镜都采用此方法。有了太空望远镜的持续工作，人类发现系外行星的数量也大大增加了。

“行星猎手”——系外行星探测器

2006年，欧洲成功发射了CoRoT太空探测器，它的任务之一就是检测系外星系凌星造成的亮度变化。2012年，由于故障原因结束使命前，CoRoT共发现并确认了31颗系外行星。

2009年，美国成功发射了开普勒太空望远镜。由于开普勒太空望远镜的口径更大，所处的环境更加黑暗，所以它比CoRoT探测到的系外行星更多，很快便成为探测系外行星的主力。2018年10月30日，开普勒太空望远镜因燃料耗尽正式退役，在长达9年的工作中，“开普勒”共搜寻到53万多颗恒星，发现并确认了2662颗系外行星，为天文学的发展做出了巨大的贡献。

CoRoT太空探测器

2018年4月，美国又发射了TESS太空望远镜，成为开普勒望远镜的“接班人”。TESS太空望远镜虽然只有一台冰箱大小，但却有着更高的观测灵敏度，刚“上任”不久，它就有了很多重要的收获。截至2019年9月，TESS太空望远镜发现并确认了29颗系外行星，还有1000多颗候选行星等待确认。

除此之外，哈勃太空望远镜、斯皮策太空望远镜和位于夏威夷岛的凯克望远镜等都曾发现过系外行星。

TESS太空望远镜

“超级地球”和地球一样吗？

不知你有没有发现，每隔一段时间，人们就会发现一颗“超级地球”。听上去好像这些系外行星也存在生命或者适宜居住一样，但事实并非如此。迄今为止，由于受到技术限制，我们发现的大多数系外行星都是庞大的、气态的、像木星一样的“类木行星”。只有质量是地球2～10倍的系外行星才被称为“超级地球”，质量低于地球质量2倍的系外行星则被稱为“类地球”。可见，天文学家口中的“超级地球”和地球其实并不一样，它们只不过比地球大一些，“宜居”的可能性更大而已。

绿色部分属于宜居带

那么到底什么样的行星适合居住呢？科学家们提出了“宜居带”的概念，地球就处在宜居带内。宜居行星首先应该像地球一样属于固态行星，并且其大气、温度、液态水的环境要和地球类似。宜居带的范围取决于恒星自身的性质：质量较小、温度较低的暗弱恒星，宜居带会离它更近：而质量较大、温度较高的明亮恒星，宜居带则离它更远。

一些“超级地球”的发现

早在第一颗系外行星被发现后，天文学家们相继发现很多行星都位于宜居带内，但它们都是大个头儿、气态的“类木行星”。直到2007年，天文学家通过视向速度法首次发现了一颗处于宜居带内的“超级地球”——Gliese 581c，它是地球质量的5.5倍。其恒星Gliese 581是一颗位于天秤座内的红矮星，距离地球约20.37光年，但是不久之后的研究发现，Gliese 581c有着极端的像金星一样的恶劣环境，并不宜居。同年，Gliese 581d被发现，2014年Gliese 581g也被发现，这两颗行星似乎比Gliese 581c更宜居，但是不久之后也被否定了。

Gliese 581行星系统与太阳的宜居带对比

2015年发现的开普勒452b，围绕着一颗与太阳同类型的1E星旋转，其直径是地球的1.6倍，人们认为这颗系外行星上很可能存在生命或者“宜居”。所以，这颗系外行星也被称为“地球2.0”或“地球的表兄”。不过，这位“表兄”在引起地球人疯狂讨论的同时，也遭到了一些天文学家的质疑。

2019年9月，英国发布的一项研究表明：太阳系外一个宜居带内的“超级地球”K2-18b的大气中含有水汽。这一发现激动人心，尽管K2-18b的质量是地球的8倍，比地球大了很多，但是它很可能是除地球外最宜居的行星。然而这一次能否命中？我们只能等待天文学家们的进一步研究啦！

我们在宇宙中是孤独的吗？你是否相信另一个地球的存在？为了解答这些疑问，天文学家们从未停止对系外生命的探索。相信随着观测技术的不断发展，我们发现的系外行星会越来越多！在那些遥远的星系中，也许就隐藏着另一些宇宙生命的信息，让我们一起期待吧！

诺贝尔奖简讯

2019年10月，瑞士天体物理学家米歇尔·马约尔和天文学家迪迪埃·奎洛兹，因“发现一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”捧走了诺贝尔奖。

1995年，米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹在法国南部的普罗旺斯天文台，使用定制的仪器，发现了“第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”——飞马座51b。这颗系外行星处于我们所在的银河系中，环绕着一颗类太阳恒星运行。这一发现在天文学界掀起了一场革命，此后人们陆续在银河系中发现了超过4000颗系外行星。这些“新世界”的发现，挑战了我们关于行星系统先入为主的观点，促使科学家们不断修正关于行星起源背后的物理过程的理论。

米歇尔·马约尔

迪迪埃·奎洛兹

早在1992年，天文学家亚历克山大·沃斯赞和达尔·福莱尔就在脉冲星PSR 1257+12周围发现了两颗“围绕脉冲星运行的”系外行星，为什么没有把诺贝尔奖颁给他们呢？那是因为脉冲星与太阳不同，它是高速旋转的中子星，是大质量恒星死亡后的产物，它会向四周散发致命的电磁辐射，所以环绕它运行的系外行星几乎不可能出现生命。考虑到寻找系外行星的初衷是为了发现生命，因此，这项创造了“第一”的科学壮举并未获得诺贝尔奖的青睐。