寻找“地球双胞胎”的史诗式探索之旅

寻找“地球双胞胎”的史诗式探索之旅

　　以下是系外行星猎人克里斯多福·沃森（Christopher Watson）与安妮莉丝·莫蒂尔（Annelies Mortier）讲述寻找可维持生命的“地球双胞胎”之漫长历程。

　　1995年10月6日，在意大利佛罗伦斯举行的一场科学会议上，两名瑞士天文学家发表了一项改变人类对太阳系以外宇宙认知的重大发现。瑞士日内瓦大学的米歇尔·马约尔（Michel Mayor）与其博士生迪迪耶·奎洛兹（Didier Queloz）宣布，他们侦测到绕行恒星的一颗行星，而该恒星并不是太阳。

　　该颗恒星名为飞马座51（51 Pegasi），位于飞马座，距地球约50光年。其伴星“飞马座51b”的特性颠覆教科书中对行星的既有认知。

　　这是一颗气体巨星，质量至少为木星的一半，绕行母星一圈仅需四天多。它与绕行母星的距离仅为地球与太阳距离的二十分之一，远在水星轨道之内，其大气层如同熔炉，温度高达摄氏1,000度（华氏1,830度）。

　　这项发现所使用的仪器是“艾洛蒂”（Elodie）光谱仪，由法国及瑞士团队设计，于两年前安装在法国南部的上普罗旺斯天文台。“艾洛蒂”能将星光分解成不同颜色的光谱，呈现出一道道细致的暗线，如同“恒星条码”，可揭示恒星的化学成分。

　　马约尔与奎洛兹观察到，飞马座51的光谱条码每4.23天规律地前后移动，这是恒星受到一颗未被直接观测到的伴星引力牵引而产生摆动的明确讯号。

　　在排除其他可能性后，两名天文学家最终确认，光谱变化是由一颗气体巨星在近距离绕行类太阳恒星所造成。

　　他们的研究刊登于《自然》期刊，封面标题为：“飞马座有行星？”

　　这项发现令科学界感到困惑，《自然》封面上的问号也反映出初期的怀疑态度。

　　这是一颗被认为存在的巨型行星，紧邻其母星，但在如此炙热的环境中，当时并无已知的形成机制可解释这样的天体如何诞生。

　　尽管其他研究团队在数周内确认该讯号，但对其成因的疑虑持续近三年，最终才被排除。

　　飞马座51b不仅成为首颗被发现绕行类太阳恒星的系外行星，也代表一种全新类型的行星。此后，“热木星”（Hot Jupiter）一词便用来形容这类行星。

　　这项发现如同打开了一扇门，随之而来的是大量新发现。过去30年间，科学家已编录超过6,000颗系外行星及候选天体。

　　这些行星的多样性令人惊叹：不仅有热木星，还有轨道周期不到一天的“超热木星”；如《星球大战》中塔图因般绕行双星的世界；体积大于木星但质量极低的“超蓬松”气体巨星；以及一连串紧密在轨道排列的小型岩石行星。

　　飞马座51b的发现引发了一场革命，并于2019年为马约尔与奎洛兹赢得诺贝尔奖。

　　如今，科学家已能推论大多数恒星皆拥有行星系统——然而，在数千颗已知系外行星中，尚未发现一个与太阳系相似的行星系统。

　　寻找“地球双胞胎”——一颗在大小、质量与温度上皆类似地球的行星——仍是现代探索者持续追寻的目标。

　　虽然我们的探勘不如过去地球探险家般惊险万分，但我们仍有机会造访世界各地偏远地区的壮丽高山天文台。

　　我们是一个国际系外行星猎人联盟的成员，负责建造、操作并维护“Harps-N”光谱仪。

　　该仪器安装于位于加那利群岛拉帕尔马岛（Canary Island of La Palma）的意大利伽利略国家望远镜（Telescopio Nazionale Galileo）上。

　　这套精密设备能够粗暴地中断星光的旅程——这些星光可能以每小时6.7亿英里（约时速10.8亿公里）的速度穿越宇宙，历经数十年甚至数千年才抵达地球。

　　每一个新讯号都有可能让我们更接近理解类似太阳系的行星系统是否普遍——背后的可能是，有一天我们终将侦测到另一颗类似地球的行星。

　　系外行星研究的起源

　　直到1990年代中期，人类所知的行星系统仅限于太阳系。

　　所有关于行星形成与演化的理论，皆建立在这九颗行星的极为有限资料上（2006年，冥王星被降级后，行星数量减为八颗，国际天文学联合会当时通过新的行星定义）。

　　这些行星仅绕行银河系约1,000亿颗恒星中的其中一颗。而宇宙中可能存在至少1,000亿个星系，这一事实更突显人类对宇宙的无知。

　　这就像外星人试图了解人类的本性与行为，却只研究住在同一栋房子里的一群学生。

　　图像来源，GETTY IMAGES，我们的银河系只是宇宙中约1,000亿个星系之一，拥有巨大的系外行星潜力

　　但这并未阻止历史上一些最伟大的思想家对宇宙之外的猜测。

　　哲学家伊比鸠鲁（Epicurus，西元前341–270年）在写给希罗多德（Herodotus）的信中曾说：“世界是无限的，有些像我们的世界，有些则不然。”

　　这并非基于天文观测，而是源自他的原子论哲学。

　　他认为，若宇宙由无限数量的原子构成，那么不可能没有其他行星。

　　他也清楚意识到这可能意味着其他地方可能孕育生命：“我们不应假定所有世界的形状必然相同。在某些世界中，可能存在动植物及我们所见万物的种子；而在另一些世界中，这些事物则可能完全不存在。”

　　与此同时，希腊哲学家亚里士多德（Aristotle，西元前384–322年）则提出地心宇宙模型，认为地球静止不动，位于宇宙中心，月亮、太阳与已知行星皆绕地球运行。

　　对亚里士多德而言，太阳系即是整个宇宙。他在《论天》（On the Heavens，西元前350年）中主张：“因此，不可能有多于一个世界。”

　　这种认为行星在宇宙中极为稀有的观念延续了两千年。

　　20世纪初，著名数学家、物理学家与天文学家詹姆斯·金斯（Sir James Jeans）于1916年提出潮汐假说，他认为行星是由两颗恒星近距离掠过时，彼此引力拉出气体流，这些气体后来凝聚成行星。由于宇宙空间极为广阔，这类近距离掠过事件极为罕见，金斯因此认为行星必定非常稀有——甚至如其讣闻所述：“太阳系可能是宇宙中唯一的行星系统。”

　　然而，人类对宇宙的理解随后已逐渐改变。

　　1920年，美国天文学家哈罗·沙普利（Harlow Shapley）与希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在华盛顿特区史密森自然历史博物馆（Smithsonian Museum of Natural History）举行的“大辩论”中，针对银河系是否为整个宇宙展开争论。

　　证据逐渐倾向柯蒂斯的主张————银河系只是众多星系之一。

　　这项认知——宇宙不仅包含数十亿颗恒星，还包含数十亿个星系，每个星系都包含数十亿颗恒星——开始动摇过去对行星稀有性的悲观预测。

　　1940年代，科学界的共识出现重大转变。

　　首先，金斯的潮汐假说未能通过科学检验。主流理论转向认为行星形成是恒星诞生的自然副产品，每颗恒星都有可能拥有行星系统。

　　图像来源，ESO/ M. KORNMESSER/ NICK RISINGER，系外行星“飞马座51b”是人类首次在太阳系以外侦测到的行星

　　1943年，有科学家宣称在蛇夫座70（70 Ophiuchus）天鹅座61C两颗肉眼可见的近距离恒星周围发现行星。

　　然而，这些讯号后来被证实为误判，极可能是当时望远镜观测精度不足所致。

　　尽管如此，这些主张仍深刻影响了行星研究思维。人们开始认为，银河系中存在数十亿颗行星的可能性是真实且可科学探讨的。

　　对我们而言，最能突显这种思维转变的，是美国天文学家亨利·诺里斯·罗素（Henry Norris Russell）于1943年7月在《科学人》（Scientific American）撰写的一篇文章。

　　早在20年前，罗素曾预测行星“在恒星中应该很少出现”；但此时他的文章标题已改为《人类中心主义的消亡》，导语写道：“新发现显示，银河系中可能存在数千个有生命的行星。”

　　值得注意的是，罗素不仅预测行星的存在，更预测“有生命的行星”。燃眉之问是：它们在哪里？这个问题，直到半世纪后才开始有答案。

　　如何探测系外行星？

　　当我们透过位于拉帕尔马岛、由意大利建造的伽利略望远镜，使用“Harps-N”光谱仪观测无数恒星时，很难不惊叹自1995年马约尔与奎洛兹宣布发现飞马座51b以来，人类在系外行星研究上的进展。

　　如今，我们不仅能有效测量类木星行星的质量，甚至能侦测到数千光年外的小型行星。自2012年加入“Harps-N”合作计画以来，我们得以近距离参与小型系外行星科学的前沿探索。

　　另一个重要里程碑出现在飞马座51b被发现四年后。

　　当时，加拿大籍哈佛大学博士生大卫·夏邦诺（David Charbonneau）侦测到另一颗已知系外行星的凌日现象（transit）——这是一颗名为HD209458b的热木星，亦位于飞马座，距地球约150光年。

　　凌日现象指的是行星在恒星前方经过，从观测者角度看，恒星星光会短暂变暗。

　　凌日技术不仅可用于侦测系外行星，还能测量行星半径。

　　透过持续观测恒星亮度，并等待因行星通过而造成的光度下降，科学家可推算行星大小。遮蔽星光的程度取决于行星半径，例如：若由外星观测者观察，木星会使太阳亮度降低约1%，而对地球来说，这种影响会减弱一百倍。

　　迄今为止，透过凌日技术发现的系外行星数量已是“光谱条码技术”（即瑞士天文学家最初用来发现飞马座51b的径向速度法）的四倍。

　　尽管如此，径向速度技术仍广泛应用，包括我们目前的研究，因为它不仅能侦测行星，还能测量其质量。

　　当行星绕行恒星时，会施加引力，使恒星产生周期性摆动，从地球观测者角度看，恒星的速度会随之变化。径向速度技术透过反复测量恒星的速度，寻找稳定的周期性摆动，以此判断是否存在行星。

　　图像来源，CFA，“Harps-N”光谱仪安装在拉帕尔马岛的伽利略国家望远镜上

　　然而，这些速度变化极其微小。

　　举例而言，地球对太阳的引力仅使其速度改变每秒9公分（约3.5英吋）——比乌龟还慢。为了以径向速度技术侦测行星，我们必须测量距离地球数兆英里外恒星的微小速度变化。

　　我们所使用的尖端仪器堪称工程壮举。

　　最新的光谱仪，如“Harps-N”与“Espresso”，能精准测量速度变化至每秒不到一公分的等级——尽管仍不足以侦测真正的地球双胞胎。

　　然而，径向速度技术目前仍受限于地面望远镜观测，且一次仅能观测一颗恒星；相较之下，凌日技术可应用于太空望远镜，例如法国的Corot（2006–2014）、美国太空总署的 Kepler（2009–2018）与TESS（2018年至今）任务。

　　这些太空望远镜已侦测到数千颗多样化的系外行星，我们可以更轻松地从太空测量恒星亮度，并且可以同时测量多颗恒星的亮度。

　　尽管两种技术在侦测成功率上有所差异，科学家仍持续发展两者。结合使用这两种方法，可同时获得行星的半径与质量，进一步开启研究其组成与结构的多种可能性。

　　为了估算已发现系外行星的可能组成，我们通常先假设小型行星与地球类似，由富含铁的核心、较轻的岩石地函、部分地表水与薄层大气所构成。

　　透过质量与半径的测量，我们可以建立各种可能的内部结构模型，并估算各层厚度。

　　这项研究仍在持续发展中，而宇宙则不断以多样化的行星类型回应我们的探索。

　　我们已观测到岩石行星被撕裂的证据，以及暗示过去曾发生碰撞的奇特行星排列。

　　目前已在银河系各处发现行星，从位于银河中心区域、距地球近28,000光年的 Sweeps-11b，到距离仅4.2光年的比邻星（Proxima Centauri）周围的行星，范围广泛。

　　寻找“另一个地球”

　　2013年7月初，我（克里斯多福·沃森）首次前往拉帕尔马岛，操作刚启用不久的“Harps-N”光谱仪。为了不出差错，我的笔电（手提电脑）里塞满了试算表、图表、操作手册、简报与笔记。其中一份刚收到的三页文件标题为《机会目标观测特别指示》（Special Instructions for ToO，ToO为Target of Opportunity）。

　　文件开头写道：“执行委员会已决定，应将最高优先权赋予此目标。”

　　该目标是一颗疑似绕行Kepler-78的行星候选体。Kepler-78 是一颗位于天鹅座、距地球约125光年，略小且较冷的恒星。

　　读下去，我看到这样的描述：“7月4日至8日观测……Chris Watson”，并列出10个观测时段——每晚两次，每次间隔精确为4小时15分钟。

　　当我在撰写本文时重新翻閱这些笔记，发现我名字上方列的是迪迪耶·奎洛兹。

　　当时，他还未获得诺贝尔奖。

　　图像来源，DAVID A. AGUILAR/ CFA，克卜勒78b并不比地球大很多，但它是一个极其炎热的世界，绕行速度非常快

　　这颗行星候选体最初由开普勒太空望远镜（Kepler）发现。该望远镜的任务是搜寻银河系中如地球般小型的系外行星。

　　在这个案例中，开普勒侦测到一颗凌日行星候选体，其半径估计为地球的1.16倍（±0.19），显示可能发现了一颗与地球大小相近的行星。

　　我当时在拉帕尔马岛，利用径向速度技术测量该行星的质量。结合开普勒提供的半径数据，便可推算其密度与可能的组成结构。

　　翻閱当时的笔记，我写道：“希望质量误差控制在10%以内，以便能准确推估其平均密度，进而判断其是否类似地球、富含铁（如水星），或含有大量水分。”

　　在为期97天的观测计画中，我们团队对克卜勒78（Kepler-78）进行81次曝光，其中我负责当中10次。期间，我们得知一个由美国主导的团队也在观测这颗潜在行星。秉持科学精神，双方达成协议，同步提交各自的独立研究结果，并同时公开彼此的发现。

　　在约定日期，双方如同“交换囚犯”般互换结果，结果一致。我们在数据误差范围内，对该行星的质量得出了相同的结论。

　　该行星的最可能质量为地球的1.86倍。当时，这使克卜勒78b（Kepler-78b）成为首颗质量测量精确、且体积最小的系外行星。其密度与地球几乎相同。

　　但相似之处仅止于此。

　　克卜勒78b的“一年”仅持续8.5小时。这也是我当时被指示每隔4小时15分钟观测一次的原因——这正是行星位于轨道两侧、恒星摆动幅度最大的时刻。我们测得恒星以每秒约2公尺（约6.6英尺）的速度前后摆动，速度仅相当于慢跑。

　　Kepler-78 b 的极短轨道周期意味着其表面温度极高，足以使所有岩石熔化。尽管在大小与密度上，这颗行星是当时最接近地球的系外行星，但除此之外，它是一个极端炙热的熔岩世界，远离我们所熟知的宜居条件。

　　2016年，开普勒太空望远镜再度取得重大突破。

　　在巨蟹座方向发现一个拥有至少五颗凌日行星的行星系统，母星为类太阳恒星HIP41378。这项发现令人振奋的原因在于行星的位置：大多数已知凌日行星都位于比水星更靠近母星的轨道上（这与我们的侦测能力有关），但该系统中至少有三颗行星的轨道半径超过金星。

　　我们决定使用“Harps-N”光谱仪测量HIP41378系统中五颗凌日行星的质量。

　　然而，经过一年多的观测后，我们意识到仅靠一套仪器无法解析这组复杂的讯号。其他国际团队也得出相同结论。于是，与其竞争，我们选择携手合作，组成一个至今仍持续运作的全球合作联盟，历年来已累积数百笔径向速度数据。

　　图像来源，NASA/ JPL-CALTECH，宇宙中存在大量系外行星，其中一些位于其恒星的宜居带内

　　目前，我们已成功测得该行星系统中多数行星的质量与半径。

　　然而，研究这些行星仍是一场耐心的长期战。由于这些行星距离母星较远，凌日现象与恒星摆动的周期也相对较长，因此需耗费数年时间、累积大量数据，才能深入了解这个系统。

　　但这样的努力是值得的。

　　这是首个在结构上开始接近太阳系的行星系统。

　　尽管这些行星比太阳系的岩石行星略大、质量略高，但它们与母星的距离相仿，有助于我们理解宇宙中行星系统的形成机制。

　　系外行星探险者的终极目标

　　经过三十年的观测，已发现大量不同类型的行星。

　　最初发现的是“热木星”，这类大型气体巨星靠近其母恒星，因为凌日现象较深、径向速度讯号较强，是最容易被侦测的行星。

　　尽管最早发现的数十颗系外行星都是热木星，但如今我们知道，这类行星其实非常罕见。

　　随着仪器技术进步与观测数据累积，科学家陆续发现一类全新的行星，其大小与质量介于地球与海王星之间。尽管我们已知旷日累积的数千颗太阳系外行星，至今仍未发现真正类似太阳系的行星系统，也尚未找到真正类似地球的行星。

　　我们或许会因此认为地球是独特的行星，位于一个独特的行星系统中。

　　尽管这仍有可能为真，但机率不高。

　　更合理的解释是，尽管我们拥有先进的天文技术，在这个浩瀚无垠的宇宙中，我们侦测类地行星的能力仍相当有限。

　　对许多系外行星研究者而言，包括我们在内，寻找真正的地球双胞胎仍是终极目标——一颗质量与半径与地球相近的行星，绕行一颗类似太阳的恒星，距离也与地球与太阳的距离相仿。

　　尽管宇宙充满多样性，拥有许多与地球截然不同的行星，发现真正的“地球双胞胎”，仍是寻找已知生命形式的最佳起点。

　　目前，径向速度法——也是首颗系外行星的发现方法——仍是最有可能找到这类行星的技术。

　　距离那项获得诺贝尔奖的发现已过三十年，开创系外行星探索的先驱迪迪耶·奎洛兹，如今正领导首个专门以径向速度法寻找类地行星的观测计画。

　　一项大型国际合作正在打造专用仪器“Harps3”，预计今年稍后安装于拉帕尔马岛的艾萨克·牛顿望远镜（Isaac Newton Telescope）。根据其性能，我们相信十年的观测数据应足以发现首颗“地球双胞胎”。

　　除非我们的地球真的如此独一无二。