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《科學大家》專欄|宇宙深處的另一個世界:其他的"地球"和"太陽"

https://finance.sina.com.cn/tech/2020-10-30/doc-iiznctkc8456289.shtml

　　出品：新浪科技《科學大家》

　　撰寫：西班牙空間科學研究所天體物理學家，加泰羅尼亞空間研究所主任 ［西］伊格納西·里巴斯（Ignasi Ribas）

　　很久很久之前，甚至在人類擁有文字之前，我們就曾是探險家。我們古老的祖先留下的那些永久遺跡，如丟棄的石器、熄滅的篝火和散落的化石骨頭，遍布在地球各處。從非洲中部開始，到澳大利亞，再到安第斯山脈，最后遍布整個地球，他們的足跡表明：我們人類從未滿足于在同一個地方逗留。

　　這種與生俱來的探索欲望，已經植入我們人類的基因里，從我們出生的那一刻就顯現出來了。但只有當我們的視線飛越地平線時，我們的想象力才真正得到了釋放，猶如天馬行空。我們的祖先在仰望天空、凝視太陽和月亮時，創造了種種美妙的神話。我們把太陽想象成一輛由太陽神赫利俄斯（Helios）駕駛的火焰戰車，月亮則是巨神泰坦（Titans）之女，她的妹妹是黎明女神伊俄斯（Eos）。縱觀整個人類史，從古埃及到阿茲特克，再到古凱爾特，每一種文明都有著關于太陽和月亮的充滿想象力的神話故事，描繪了我們仰望它們時所感受到的驚奇和莊嚴。

　　不過，徹底解放我們想象力的是夜空中那點點繁星。有人認為我們的世界被一個蒼穹所包裹，那是一個圍繞我們旋轉著的巨大而復雜的穹頂。然而，無論如何努力想象，我們都難以領略那片真正的天空是多么錯綜復雜、桀驁不馴和浩瀚無垠。當伽利略利用當時最新發明的曲面拋光玻璃，在1610 年建造了第一臺望遠鏡時，他一下子看到了人類虛弱的肉眼原本永遠無法看到的景象。他驚訝地發現，月亮其實并不像他想象的那樣平滑光亮，而實際上“凹凸不平、粗糙不堪，遍布低谷和高山”。他還驚奇地看到了木星的小衛星，以及土星周圍奇妙而神秘的光環。伽利略就像一個蹣跚學步的嬰兒，邁出了他了解宇宙的第一步。隨著每一次新的發現，他的想象力都進一步升華，他的著作挑戰了許多人的根本信仰。伽利略為我們的太陽系開啟了一扇窗，通過它我們開始能夠了解太陽系外的星系。

　　行星系統

　　探索的腳步一直未停，但直到幾十年前，太陽系還是人類唯一略有所知的行星系統。今天，我們知道有成千上萬個這樣的系統，雖然它們仍只是宇宙中極小的一部分。正如太陽系一樣，其他星系的恒星和圍繞它們運行的行星都來自分子云。

　　銀河系中有成百上千億顆系外行星，據計算，大約100億顆應該具有與地球相似的軌道特征，繞著像太陽一樣的恒星旋轉。因此，其中的一些或許孕育出了某種形式的生命。但是考慮到星際空間是如此廣袤無垠，人類很難與他們有所接觸或交流。即使有某種文明棲居在離我們最近的行星上，我們也要花幾十年的時間來彼此傳遞信息。

　　銀河系的恒星，以及圍繞它們運行的行星，都源于相同的分子云。超新星爆發引起的沖擊波可能是觸發它們形成天體的原因。當沖擊波到達時，分子云逐漸變得扁平，并提高旋轉速度以保持角動量，分子云便隨之產生。

　　分子云是原行星盤的種子，分子云圍繞一個軸旋轉，而塵埃粒子繞著分子云的質心旋轉。數量如此龐大的粒子在運動時，碰撞在所難免。碰撞使分子云減速，同時它們相對于軌道面的角度也越來越小，于是粒子聚集到一起，最終形成一個圓盤。

　　吸積盤圍繞著一顆年輕恒星旋轉，將形成行星。距地球約60 光年的繪架座β 原行星盤，它的行星系統正處于一個類似于太陽系初生階段的時期，有跡象表明有一顆巨大的行星正在圍繞著它運行，而巖質行星和彗星正在圓盤中形成。

　　2017 年被發現的特拉比斯特-1 系統是距離地球約40 光年的行星系統是。特拉比斯特-1 是一顆紅矮星，在小于水星和太陽之間的距離內，至少有7 顆行星圍繞它運行。這顆恒星的體積很小，有3 顆行星位于該系統的宜居帶內，并且它們的大小與地球相仿。

　　另一個世界

　　盡管人類直到20 世紀末才發現第一顆系外行星，但探測技術的進步使得我們至今已經發現數千顆圍繞恒星旋轉的天體。

　　沒有人確切地知道其他行星上的生命是什么樣子的，但有一件事是肯定的： 它必須遵守化學定律。

　　當溶解在液體中時，那些有可能轉變成生命的分子更容易相互反應。由于水可以溶解非常多的化合物，因此它是形成生命的一個理想條件。鑒于這一原因，天文學家認為我們可能會在恒星所謂的宜居帶或者是一顆表面溫度允許液態水存在（0~100 攝氏度）的行星上發現生命。

　　宜居帶是指恒星外可以允許液態水存在于行星表面的距離范圍。1957年“太空醫學之父”胡貝圖斯·斯特拉格霍爾德第一次提出“宜居范圍”的概念。直到1993年，詹姆斯·卡斯汀才通過給出比較詳細模型以描述 “星周宜居帶”（ 或稱“環恒星宜居帶”）。近幾年這個概念又有所發展，2000年，有幾位科學家提出了“星系宜居帶”的概念。2013年，還有科學家提出了“環行星宜居帶”。

　　適宜的溫度范圍對于生命來說是必不可少的，既不能太熱，也不能太冷。因為盡管有些物質在較高和較低的溫度下能夠變成液體，但許多有機分子在較熱的環境中會失去它們的穩定性。此外，在非常寒冷的條件下，化學反應往往會減慢，這也使得生命難以形成。下圖標示了大量的根據其在各自恒星宜居帶中的位置進行劃分的系外行星。所謂“超級地球”是指比地球大得多、但比海王星小得多的系外行星。

　　生命存在的最優區域

　　一顆行星上是否能產生生命，不僅取決于它在恒星系統中的位置，還取決于它在星系中的位置。

　　最近的研究表明，銀河系有2000億~4000億顆恒星。雖然不是所有的恒星都有圍繞它運行的軌道行星，但即使是最保守的估計也表明，在我們的星系中至少有1 億顆這樣的行星。不過，并不是所有的行星都具有潛在的宜居性。宜居與否取決于它們是否位于恒星的宜居帶，以及行星系統在星系中的位置。科學家們認為，靠近銀河系核球或球狀星團的行星系統幾乎沒有可能形成生命，因為它們要承受強烈的輻射轟擊，而且它們與潛在的超新星過于接近的位置將會抹殺掉所有生命存在的可能性。

　　下圖顯示了銀河系從誕生到現在的狀況，以及天體與星系核心的距離。在星系形成初期以及離中心非常近的地方，金屬含量太少，超新星太多，這些都阻礙了行星的形成。另一方面，在離星系中心太遠的地方不會有足夠的重金屬形成巖質行星。所以，最佳宜居帶不可能在銀河系的早期就存在，也不可能太靠近它的中心。

　　在銀心附近，由于其極高的能量，生命不太可能形成，而在這個圓環以外，找到宜居行星的可能性也不大，因為那里比氦重的元素太過稀少。這張圖勾勒了銀河系的主要結構以及理論上的環狀宜居帶。環狀的宜居帶從距銀心15 000 光年延伸至距其35 000 光年的地方。我們的太陽距離銀心約27 000 光年。太陽系處于一個有利的位置，靠近這個區域的中心。

　　間接探測方法

　　直接觀察太陽系外的行星是很困難的，所以我們不得不依靠間接的探測方法。

　　發現太陽系外的行星，即系外行星，是一項極其復雜的任務。它們自身微弱的光線幾乎不可能穿越如此遙遠的距離而被我們看到；它們的外形尺寸太小，很難被望遠鏡捕捉到；而且恒星的光線太強，遮蔽了所有環繞其運行的行星的痕跡。盡管如此，一些體積較大的年輕的系外行星亮度較大，這會令它們比較容易被發現。

　　系外行星是圍繞恒星的小光點（以可見光或紅外線的形式）。因此，直接觀測的難度很高，科學家們通常不可能直接觀測到它們的反射光或紅外輻射。我們需要應用如下圖所示的間接探測方法。

　　1。 凌星法

　　我們觀察恒星的亮度，看它是否會變暗，因為這可能是一顆繞其軌道運行的行星遮擋住它的一部分的信號。

　　2。 視向速度

　　當光源向我們靠近時，它發出的光變得更藍；反之，當光源遠離我們時，它發出的光就變得更紅。如果一顆恒星擁有環繞其運行的行星，我們可以通過光線的變化，獲知恒星圍繞系統質心的運動。

　　3。 微引力透鏡

　　當一顆恒星從另一顆恒星前面經過時（從地球的角度來看），距離較近的恒星的引力會使較遠恒星發出的光線變得彎曲并且提升它的亮度。如果這顆恒星有一顆行星，亮度上就會產生一個強烈的變化。

　　4。 天體測量學

　　當恒星離整個行星系統的質心足夠遠時，通過精確測量恒星位置的微小變化，我們便可以偵測到行星的存在。

　　值得一提的是，系外行星的輪廓無法被直接觀測，但在光足夠強的情況下，我們可以根據穿過行星大氣層的、它所繞行的恒星發出的光了解行星的大小和大氣。

1140b行星（左）和它的恒星想像圖/ 法新社1140b行星（左）和它的恒星想像圖/ 法新社

　　具有系外行星的恒星

　　探測系外行星是一項艱巨的任務，因此該領域偶爾會出現假陽性。盡管如此，在過去的幾十年里，我們已經發現了數千個行星系統。

　　一顆系外行星在被發現之后，還要等待進一步的觀測證實，才能正式躋身已知宇宙的一部分。近幾十年來，人類發現了太陽系外的數千顆行星，但由儀器檢測到的信號最終往往被證明是假陽性的。例如，一顆恒星暫時的亮度降低可能是由于其表面的一個簡單變化或雙星系統的日食現象。對格利澤667C（Gliese 667C）的觀測就是一個典型的案例。過去人們認為這顆恒星有7 顆繞其軌道運行的行星，但后來的觀測表明，其中5 顆實際上是測量過程中被記錄下來的干擾信號。

　　即便如此，我們仍在發現附近的一些具有系外行星的恒星，如肉眼可見的巨蟹座55（55 Cancri）和大熊座47（47 Ursae Majoris）。

　　一般來說，系外行星會通過基于與太陽系中已知天體質量的比較結果，被劃分為5 種類型。

　　除了質量、大小和軌道之外，我們很難獲得更多關于系外行星的信息，但這些信息仍然可以告訴我們很多關于它們的特征。天文學家可以根據一顆系外行星的質量，推測它是像地球一樣小的巖質行星，還是像木星一樣大的氣態巨行星。

按質量分類

　　雖然每個類型的邊界并不清晰，但系外行星大體上可以根據它們的質量分為5 類：“類木行星”——質量最大的系外行星，大小類似于木星，甚至更大；“類海王行星”——與海王星大小相似的系外行星；“超級地球”——大于地球小于海王星的系外行星；“類地球”——與地球質量相近的系外行星；“亞地球”——質量小于地球的系外行星。

質量和成分

　　系外行星的性質可能因其組成而有很大差異。天文學家在將一顆行星劃分為一種或另一種類型時要格外小心，尤其是那些質量介于超級地球和類海王行星之間的天體。

　　潛在的宜居行星

　　要評估系外行星是否具備生命存在的必要條件，我們需要掌握有關其成分、軌道，尤其是大氣層的精確數據。

　　在我們發現的數千顆系外行星中，有一些與地球相似，可能適合居住。鑒于我們對它們的成分和大氣層所知不多，我們通常根據它們是否屬于巖質行星，以及其與中心恒星的距離是否允許有液態水在其表面存在，來評估它們的宜居性。然而，這兩個因素并不能保證這些系外行星能提供對生命有利的環境。例如，金星位于宜居帶，但其成分不利于生命形成，而一顆位于一個相當寒冷的區域的行星，卻可能由于大氣層的溫室效應，達到較高的表面溫度。科學家們認為，有相當數量的系外行星是適合居住的，但一旦我們測量它們的大氣層，宜居的系外行星數目就會減少。

　　在可能存在生命條件的行星系統中，特拉比斯特-1（TRAPPIST-1）是特別有希望的一個，十分具有代表性。這個系統共有7 顆巖質行星，其中3 顆位于其恒星的宜居帶上。不久以前，人們一度認為格利澤667C（Gliese 667C）系統有7 顆行星位于它的宜居帶，但是進一步的探測把這個數字減少到了2 顆。開普勒62（Kepler-62）系統中有一顆行星位于其宜居帶內。

　　地球和系外行星上的黃昏

在這幅藝術渲染圖中，我們可以看到地球上的落日（圖1）與存在生命的可能性很高的系外行星上的落日之間的對比。在格利澤667Cc（Gliese 667Cc，圖2）和格利澤581d（Gliese 581d，圖5）上，落日看上去似乎更紅，這是因為二者圍繞紅矮星旋轉。開普勒22b（Kepler-22b，圖3）上的落日與地球上的落日相似，因為它繞行的恒星與我們太陽十分相似。至于系外行星HD 85512b 上（圖4），盡管它所繞行的恒星是一顆溫度更低的K 型矮星，但因為距離中心恒星最近，所以它的落日與其他幾顆行星相比可能是最明亮的。在這幅藝術渲染圖中，我們可以看到地球上的落日（圖1）與存在生命的可能性很高的系外行星上的落日之間的對比。在格利澤667Cc（Gliese 667Cc，圖2）和格利澤581d（Gliese 581d，圖5）上，落日看上去似乎更紅，這是因為二者圍繞紅矮星旋轉。開普勒22b（Kepler-22b，圖3）上的落日與地球上的落日相似，因為它繞行的恒星與我們太陽十分相似。至于系外行星HD 85512b 上（圖4），盡管它所繞行的恒星是一顆溫度更低的K 型矮星，但因為距離中心恒星最近，所以它的落日與其他幾顆行星相比可能是最明亮的。

　　相比太陽系中的行星而言，在特拉比斯特-1 系統中，行星之間的距離相當近。因此，如果你從其中一顆行星的表面向外看，其他行星看上去是我們在地球上看到的太陽的兩倍大。

　　尋找地外生命

　　只有在另一顆行星上發現生物體或化石，是否存在地外生命這一迫切的科學問題才將獲得最終的解答。但是，在我們能夠訪問其他行星系統之前，科學家只能用間接的方法來尋找宇宙他處的生命。生命往往會在其周圍環境中留下痕跡，因此我們可以在行星的大氣中開始著手尋找生命的蹤跡。

　　如果能夠在某行星大氣層中尋找到表示有機體可能存在的某些化學失衡，或許這里就存在著生命的蹤跡。我們可以通過分析系外行星的電磁波譜來推斷其大氣層的組成。氧和甲烷，以及氯甲烷和二甲基硫醚等化合物，均是存在生命可能性的重要線索。下圖比較了地球以及火星和金星的發射光譜，前者的大氣層中既有氧分子也有水分子。

　　但值得注意的是，化學失衡并不能作為決定性證據。一顆惰性行星遲早會在其大氣層中達到化學失衡，像氧這樣的非常活躍的元素會與其他物質結合，直到它們被耗盡。也就是說，當一顆系外行星上存在大量的氧氣時，它也可能是簡單的化學反應的產物，而不是由于有生命存在。

　　地球是我們身邊唾手可得的絕佳樣本。地球上的有機體展示了生命如何適應各種各樣的環境，甚至是非常極端的環境。黃石國家公園大棱鏡溫泉中的微生物，可以在溫度高達70 攝氏度的環境里生活。一些細菌可以在高劑量的輻射環境或真空環境中生存。下表列出了地球上生物體能夠生存的極端條件，這或許就代表著地球上的生命極限。

　　尋找新的地球

　　1989 年，人類發現HD 114762b，它是第一顆被發現的系外行星，但直到3 年后才被確認。1995 年10 月6 日，瑞士日內瓦大學教授米歇爾·麥耶（MichelMayor）和日內瓦大學、劍橋大學教授迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）發現了一顆系外巨行星。這顆比地球大得多的行星圍繞著50 光年之外的小恒星飛馬座51 運行。這顆系外巨行星圍繞飛馬座51（飛馬座中一顆類似太陽的恒星）運行，被命名為飛馬座51b。科學家認為它的質量大約是木星的一半。這兩位科學家因此在2019 年獲得了諾貝爾物理學獎這一殊榮。隨著這顆系外巨行星被發現，為人類打開了一扇通往太陽系外世界的窗戶，對系外行星的搜尋開始升溫。

　　系外行星飛馬座51b 的質量至少是木星的一半，體積可能與太陽系中的巨行星相似，甚至更大。

　　自從發現第一顆系外行星以來，科學家們一直在四處尋找有可能存在生命的星球。

　　在關于系外行星的研究與觀測中，“藍色巨星”HD189733b是繞不過去的一部分。 HD189733b 是被研究得最多的巨行星之一，也是目前已知的最大的系外行星之一，它的質量略大于木星，離其中心恒星較近。它于2005 年首次被觀測到，當時它正從它的中心恒星前面經過。HD189733b 不是一顆普通的氣態巨行星，因為它的質量比木星大13%，而距離它的中心恒星只有450 萬千米。HD189733b的運行速度為152 千米每秒，因此軌道周期只有2.2 天。HD189733b 以及另外一些類木行星與它們的中心恒星相當接近（相比之下，地球距離太陽1.5 億千米），這使得科學家們重新審視了行星形成理論。在HD189733b 之前，科學界的共識是，氣態巨行星是在遠離恒星的地方形成的，那里的低溫導致了環繞著巖石內核的大量氣體的壓縮。

　　只有兩種理論可以解釋HD189733b以及其他氣態巨行星繞著它們的中心恒星近距離運行。這些氣態巨行星要么形成于距中心恒星非常近的地方，這與最初的行星形成理論相悖；要么形成于較遠的地方，但隨著時間向著中心恒星遷移。目前，第二種理論更為人們所接受。

　　此后，2007 年，斯皮策空間望遠鏡又在HD189733b 的大氣中探測到水蒸氣，一年后哈勃空間望遠鏡再次證實了這一點。當系外行星從其中心恒星前面經過，即“凌星”時，行星的外層大氣會過濾中心恒星的光線，從而影響恒星光譜，通過分析光譜數據便可得知行星大氣的成分。天文學家們注意到，如果透過紅外濾光片觀察，HD189733b 在每一個波段都會以不同的程度吸收光。這種現象只能用某一種分子的存在來解釋：水分子。

　　但水并不是這顆巨行星呈現濃烈的藍色的最主要原因。通過測量HD189733b 從其中心恒星后面經過時的光線，科學家們認定HD189733b是人類發現的第一顆具有生命顏色的系外行星。他們推斷，它的大氣中含有微小的硅酸鹽顆粒，呼嘯的風將它們四處散播。這顆行星的鈷藍色源于如雨點般飄落的玻璃體，以及散射藍光的霧一般的云層。

　　科學家們還嘗試勾勒出了HD189733b的大氣溫度分布情況。鑒于HD189733b 的體積， 以及它距我們只有63.4 光年這一事實，相比其他的系外天體，天文學家可以了解到有關HD189733b 大氣的更多細節。他們通過連續33 小時的觀測確定了這顆行星的大氣層溫度剖面，繪制了第一幅系外行星的大氣地圖。圖中顯示了大氣的溫度變化，較淺的顏色對應溫度較高的區域。

HD189733b 與它的中心恒星被潮汐鎖定，這意味著這顆系外行星永遠只向它的中心恒星顯示自己的一面。持續暴露在恒星照射下的那一面的表面溫度介于700 攝氏度和940 攝氏度之間，而上層大氣的溫度則可以達到數千攝氏度。這兩面的溫差意味著大氣層風速高達8 700 千米每小時。HD189733b 與它的中心恒星被潮汐鎖定，這意味著這顆系外行星永遠只向它的中心恒星顯示自己的一面。持續暴露在恒星照射下的那一面的表面溫度介于700 攝氏度和940 攝氏度之間，而上層大氣的溫度則可以達到數千攝氏度。這兩面的溫差意味著大氣層風速高達8 700 千米每小時。

　　尾聲

　　數十年前，人類以伽利略望遠鏡為眼，不懈的觀察浩瀚錯綜的宇宙，對無垠宇宙的未知更多地激勵著科學家們不斷探索。隨著人類對宇宙其他角落的了解加深，地球的發展軌跡已經不再是生命誕生的唯一藍本，宇宙中可能的生命形態不斷刷新著人們對生命的頑強程度的認知。對地外文明的探索也一直伴隨著深深的憂慮，影視作品中無不充斥著對更強大的地外文明的想象。探索地外文明可能會給整個人類文明帶來重創甚至是終結的警告從來都沒有消失過。但正如國際空間站前指揮官克里斯·哈德菲爾德（Chris Hadfield）上校所說，浩瀚的星空在等著我們。我們第一步要做的，就是抬頭仰望。

　　注：本文內容由《宇宙全書： 國家地理新視覺指南》一書內容編譯整理而來。

綜合 2022-01-09 11:22:24

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