月球上有水，而且存在高含量水——近日，我國科學(xué)家對月壤研究的新發(fā)現(xiàn)，“解鎖”了月球的無限可能——能種菜嗎？能澆花嗎？能供人類飲用嗎？這一發(fā)現(xiàn)，成功勾起大家對移居地外行星的興趣。實(shí)際上，近30年來，科學(xué)家從未停止尋找宜居星球，目前已探知的太陽系外的行星數(shù)目超過5000顆。在這些浩如煙海的系外行星中，有身世成謎的熱木星群體，也有倍受期待的宜居行星候選體，承載地外文明的地球2.0是否也正隱匿其中？
(資料圖)
1 搜尋第二個太陽系
“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？冥昭瞢暗，誰能極之？馮翼惟像，何以識之？”早在2000多年前的戰(zhàn)國時期，楚國詩人屈原就在這首《天問》中，闡述了對于天地玄黃、宇宙洪荒的思考，他甚至大膽猜想了世界之外的世界。2000余年后的今天，我們?nèi)栽谔接懀杏松?、文明的太陽系，是否是茫茫宇宙間，獨(dú)一無二的存在？
據(jù)預(yù)估，在可觀宇宙中，包含銀河系在內(nèi)的星系高達(dá)千億之?dāng)?shù)，而人類賴以生存的主星——太陽，也只不過是銀河系千億顆恒星中，平平無奇的一顆。也因此，我們很難相信，除了在宇宙間渺小如沙塵的太陽系外，再無其他恒星系統(tǒng)能夠孕育行星，承載生命。
然而，受限于觀測技術(shù)，很長一段時間以來，我們對宇宙的認(rèn)知也的確如此——孕育了包括地球在內(nèi)的八大行星的太陽系，是人類僅知的，滿足生命誕生條件的行星系統(tǒng)。
這樣的認(rèn)知，在1992年得以改觀。這一年，天文學(xué)家沃爾茲森和費(fèi)雷歐，首次發(fā)現(xiàn)了太陽系外的類地行星。但它們繞轉(zhuǎn)的主星卻只是一顆恒星的殘骸——毫秒脈沖星PSRB1257+12，它的旋轉(zhuǎn)速度高達(dá)每秒161圈，這顯然與人類理想中的第二個太陽系相差甚遠(yuǎn)。
所幸，3年后，兩位瑞士天文學(xué)家馬約爾和奎洛茲，在一個與太陽極為相似，正值壯年的主序星飛馬座51周圍，發(fā)現(xiàn)了第一顆大小可媲美木星的氣態(tài)巨行星，它被命名為飛馬座51b，距離地球約50光年。
這一發(fā)現(xiàn)引燃了天文學(xué)界搜尋第二個太陽系的熱情，自此，系外行星探測正式拉開了序幕。
不過，作為人類發(fā)現(xiàn)的第一顆環(huán)繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星，飛馬座51b卻與太陽系內(nèi)的八顆行星大相徑庭。盡管它的質(zhì)量、大小與木星相當(dāng)，但其公轉(zhuǎn)周期卻只有4天左右，不僅與木星約12年的繞行周期天差地別，也遠(yuǎn)小于太陽系內(nèi)任何一顆行星的公轉(zhuǎn)周期。
實(shí)際上，在早期的系外行星探測中，類似于飛馬座51b這樣的短周期氣態(tài)巨行星，頻繁出現(xiàn)。天文學(xué)家將它們統(tǒng)稱為熱木星。熱木星數(shù)目之多，曾讓天文學(xué)家一度懷疑，在宇宙間，這些身世成謎的熱木星才是行星主流，而太陽系內(nèi)的溫、冷行星不過是行星群體中的特例。
不過，在了解清楚行星探測的基本手段后，這個疑問就迎刃而解了。
2 已發(fā)現(xiàn)超5000顆太陽系外行星
探知太陽系外的行星，最直觀的方式是直接觀測。但眾所周知，行星本身并不發(fā)光，我們看到的，是它們反射來自恒星的光芒。因此，直接觀測時，行星微弱的反射光，大概率會湮沒在其主星耀眼的光芒中，難以分辨。理論上，即使日冕儀可以遮擋主星的亮度，凸顯行星的存在，但實(shí)施起來技術(shù)難度也很大，只適用于那些遠(yuǎn)離主星影響的行星群體。
與直接成像相比，間接探測更為普遍，是搜尋行星的重要方式。其中，最為高效的系外行星探測方式當(dāng)屬凌星法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，利用這種方法，搜尋到了約70%的系外行星。
凌星法，利用行星繞主星公轉(zhuǎn)，會周期性遮擋主星光亮的原理。監(jiān)測主星光度的周期性變化，根據(jù)光變的深度、周期和寬度，即可推測未知行星的相對大小和軌道信息。通常，大行星環(huán)繞小主星時，遮光面積較大，光變更為明顯。以太陽系為例，木星凌日的光變深度約為1%，而地球凌日的光變深度只有0.0084%。
還有一種常見的行星探測方法，為視像速度法——當(dāng)行星繞主星轉(zhuǎn)動時，主星也將繞兩者之間的質(zhì)心小幅度的轉(zhuǎn)動。如果兩者的轉(zhuǎn)動平面與視線方向垂直，在地球上的觀測者看來，主星將周期地轉(zhuǎn)向地球，又背離地球，這與其光譜的周期性藍(lán)移和紅移相對應(yīng)。據(jù)此，我們可以推斷出行星系統(tǒng)中行星的質(zhì)量等重要信息。
值得一提的是，無論是飛馬座51b，還是后來陸續(xù)探知的其他熱木星，它們大多由視像速度法探得，而這種方法對于那些大質(zhì)量短周期的巨行星尤其敏感。由此可知，并非宇宙間的熱木星數(shù)目龐大，只是早期行星觀測受限于精度的選擇效應(yīng)罷了。
近年來，在行星觀測方面，微引力透鏡法異軍突起。相比在短周期行星群體中占據(jù)探測優(yōu)勢的凌星法和視像速度法，微引力透鏡法可謂“劍走偏鋒”，在冷行星探測方面獨(dú)占鰲頭。微引力透鏡法基于愛因斯坦的廣義相對論中質(zhì)量導(dǎo)致光線偏折的理論——當(dāng)一個“拖家?guī)Э?rdquo;的行星系統(tǒng)，經(jīng)過某個人類正監(jiān)測的背景天體視線前方時，其質(zhì)量將導(dǎo)致背景天體的光亮出現(xiàn)短時的匯聚。這類似于透鏡聚光的效果，通過分析背景天體的單次光增強(qiáng)效應(yīng)，即可獲取行星系統(tǒng)中行星的質(zhì)量、軌道信息。
此外，隨著望遠(yuǎn)鏡探測精度逐步提升，天體測量法作為行星探測的一種補(bǔ)充手段，也頗受關(guān)注。這種探測方法的原理與視線速度法類似，都基于行星對于主星的擾動。不過，相較于視像速度法主要監(jiān)測由行星引發(fā)的主星移動速度，天體測量法則關(guān)注由行星引發(fā)的主星位置變動。由于天體測量法對測量精度的要求極高，目前發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)目并不多，但隨著望遠(yuǎn)鏡的探測精度逐漸逼近微角秒量級，天體測量法未來可期。
除了這些主流的探測手段外，探測系外行星的方法還包括計(jì)時法、亮度調(diào)制法、行星盤運(yùn)動法等。截至目前，已有超過5000顆太陽系外的行星被認(rèn)證，距離人類發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星，不過30年時間。
3 已知宜居行星不足100顆
在這些浩如煙海的系外行星中，是否正隱匿著一顆星球，與地球一般，具備孕育生命的條件或正在孕育生命呢？
實(shí)際上，近年來，宜居行星候選體捷報(bào)頻傳。早在2016年，天文學(xué)家就在距離太陽最近的恒星——比鄰星周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆類似于地球的巖石類行星，其質(zhì)量略大于地球質(zhì)量，屬于“超級地球”，其軌道周期約為11.2天，被正式命名為比鄰星b。雖然比鄰星b距其主星的距離不過日地距離的1/20，但它的主星——比鄰星卻是一顆小而黯淡的紅矮星，質(zhì)量大概只有太陽質(zhì)量的八分之一，光度不過太陽光度的千分之一，所以小周期的比鄰星b恰好處于液態(tài)水可存續(xù)的宜居帶內(nèi)，是已知距離地球最近的一個宜居行星候選體，也是未來人類可能最先造訪的系外行星。
迄今為止，在5000多顆已探知的系外行星中，宜居行星候選體的數(shù)目不足百顆，這其中不乏一些有趣的發(fā)現(xiàn)。例如，在距離地球約300光年的紅矮星開普勒1649周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆公轉(zhuǎn)周期約為20天的行星——開普勒1649c，它不僅幸運(yùn)地位于主星的宜居帶內(nèi)，還是目前最為接近地球大小的類地行星。
此外，在距離地球約39光年的TRAPPIST-1系統(tǒng)中，也發(fā)現(xiàn)了7顆分布緊湊的類地行星，其中5顆行星大小與地球相當(dāng)，另有兩顆大小介于火星和地球之間。這7顆行星的公轉(zhuǎn)周期從1.5天到19天不等，且每兩個近鄰行星軌道都處于共振的狀態(tài)，極可能與行星軌道的內(nèi)遷歷史相關(guān)。根據(jù)TRAPPIST-1的溫度梯度，這個系統(tǒng)中，大概有3到4顆行星都屬于宜居行星候選體，今后將是天文學(xué)家的重點(diǎn)關(guān)注對象。
雖然我們已經(jīng)從數(shù)目繁多的系外行星中篩選出了一些所謂的宜居行星候選體，但與真正意義上的地球2.0還相差甚遠(yuǎn)。畢竟，我們目前對于宜居行星候選體的定義相當(dāng)簡單，僅僅初步判斷其是否為類地行星，是否位于恒星周圍可保有液態(tài)水的區(qū)域范圍內(nèi)。
但一個能夠孕育生命的星球，卻需要更多更為嚴(yán)苛的考量：例如，行星表面的大氣覆蓋情況，因?yàn)樾行谴髿獾暮亢统煞?，將極大影響行星的地表溫度；例如，那些紅矮星周圍的近鄰宜居行星，是否與主星潮汐鎖定，這將決定行星的表面溫度是否分布均勻；例如，行星磁場是否能夠抵御帶電粒子的沖擊，避免大氣層的剝離；再例如，主星環(huán)境是否溫和，有沒有足夠長的穩(wěn)定時間支撐地外生命的誕生與進(jìn)化等等。
4 更多“眼睛”尋找地球2.0
尋找地球2.0，前路漫漫，但并非毫無希望。30年前，人類還難以置信，居然可以從紛雜的主星信號中，提取一絲微弱的行星信息?？?0年后的今天，我們已然坐擁海量行星數(shù)據(jù)。
就在我們的頭頂，就在這片星空中，一只只“眼睛”好奇地打量著宇宙，拓展著系外行星的未知版圖，其中，有“前輩”凌星望遠(yuǎn)鏡——開普勒，有它的繼任者凌星系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡，有耗資百億美元的韋布太空望遠(yuǎn)鏡，有寬視場紅外巡天望遠(yuǎn)鏡，有“行星獵手”——系外行星特性探測衛(wèi)星等等。
這是一場轟轟烈烈的找尋地球2.0之旅。中國科學(xué)家并未缺席，在我國遴選出的候選空間發(fā)射任務(wù)中，探求地球2.0的項(xiàng)目赫然在列，包括近鄰宜居行星巡天計(jì)劃，地球2.0空間巡天和覓音計(jì)劃。其中，近鄰宜居行星巡天計(jì)劃將通過天體測量的方法，以微角秒級的觀測精度，搜尋太陽系附近32光年范圍內(nèi)100顆類太陽恒星附近的宜居行星；而地球2.0空間巡天衛(wèi)星計(jì)劃，將通過技術(shù)相對成熟的掩星法來對銀河系內(nèi)的行星進(jìn)行大規(guī)模普查，搜尋類太陽恒星周圍的宜居行星，并結(jié)合微引力透鏡法搜尋那些遠(yuǎn)離主星的冷行星，甚至于那些已被主星拋棄，孑然一身的流浪行星；覓音計(jì)劃則打算通過發(fā)送空間探測器，以直接成像法證認(rèn)太陽系外的宜居行星并評估其宜居性。
太陽系孕育了地球，成就了人類文明誕生的搖籃。在過去的很長一段時間內(nèi)，太陽系也是我們唯一已知的行星系統(tǒng)。但現(xiàn)在，我們知道，在茫茫宇宙間，太陽系并不是承載行星的孤舟。2019年，天馬座51b的兩名發(fā)現(xiàn)者，天文學(xué)家馬約爾和奎洛茲獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，距離1995年他們探知第一顆氣態(tài)巨行星僅僅過去了24年。
尋找“地球2.0”之旅才剛剛開始。
（作者：鄭曉晨，系北京天文館助理研究員）
