尋找地球2.0,答案或將由中國給出

當地球上的大多數人們正在為氣候變暖，塑料泛濫，豬肉價格，橘發小丑，英國脫歐，兒女教育等各種各樣的麻煩打破腦筋、一籌莫展的時候，一小群人悄悄地把目光對準了深邃的太空。他們致力於回答一個與現實毫不搭噶的問題：在這個宇宙裡，地球是否孤獨？

（圖源：參考資料[1]）

撰文 | 武延慶（多倫多大學）

從遠古起，我們的祖先夜夜凝望天空，早就熟悉了星星和太陽繞著地球，日升夜降的作息。可是五百年前哥白尼跟我們說，不對，不是太陽繞著地球轉，而是地球繞著太陽轉。這之後，地球的神聖位置一降再降。再後來，天文學家發現太陽只不過是偉大的銀河星系裡，一個平凡得不能再平凡的恆星，而銀河系又只是宇宙裡一個平凡得不能再平凡的星系。這讓我們人類懷疑，自己在這個宇宙中是否獨特。地球上的生命和智慧，我們引以為傲的技術和進展，在這個宇宙中是否只是一件尋常事情？外星智慧也許跟我們只有一河之隔？這樣的想法只是一個設想。目前不僅外星智慧尚無影無蹤，就連著名的估算星際文明的德雷克公式（Drake equation）裡， 我們也只對前兩項有所了解：銀河系內恆星的數目，和恆星中擁有行星的比例。迄今為止，我們對第三項，擁有宜居區內的類地行星的比例（所謂的η地球），了無所知, 因為我們只知道太陽系裡的地球。德雷克公式後面的幾項，都跟生命有關，我們更無從談起。

圖1. 德雷克公式（圖源：sites.psu.edu）

本文要說的是，以現在的技術，我們可以在幾年內找到地球2.0並測量η地球。更讓人興奮的是，中國的空間技術，或將幫助人類找到這個答案。

地球2.0與生命的偶然？

生命在地球上起源，然後產生智慧，說起來好像順理成章。可是用哲學的名句刷一刷：存在是合理的，但不一定是必然的。現在的科學研究讓我們認識到，地球生命的產生，或許只是一些偶然事件的積累。

先講地球的軌道。地球離太陽的距離, 不遠不近，正好在我們所說的恆星宜居帶裡面（圖2）。假若地球離太陽近一點，地表溫度略高，溫室效應強烈到大氣裡的水汽會越聚越多，溫度繼續升高，我們會走上金星的不歸路。又假設地球離太陽稍遠一點，表面溫度將會下降到零度以下。水汽凝結成冰，冰封大地，太陽光都被反射回外空，地球會變得像火星那樣，一年四季冰洋不化。

圖2. 地球軌道正處於太陽類恆星的宜居帶裡（藍色）。這裡，溫度合適，行星表面可以有液態水存在。宜居帶隨恆星大小而遷移：恆星越小，宜居帶就越靠主星。目前，受技術限制，不少天文項目都只在質量較低的恆星周圍尋找宜居帶行星（如NASA的TESS任務）。但是，這些行星可能由於自旋同步，恆星耀斑等原因，環境太惡劣而不適合生命起源。生命可能偏愛太陽類恆星的宜居帶。（圖源：參考資料[3]）

再講地球的質量呢，也不大不小，恰到好處。假設地球質量再大一點，重力增大，我們的化學火箭不足以發射衛星。除非有原子能，航空航天將無從而來。天文學也只能停留在地表。假設地球的質量小了一點，重力減小了，大氣裡的水分子卻又容易被太陽風颳走。我們的大氣日漸稀薄，環境會變得像火星一樣惡劣。地球的大氣層和海洋，也是調節得非常完美。大氣裡的二氧化碳濃度太高了，全球會變暖得比阿拉伯酋長國的沙漠還熱；濃度如果太低了，地球又會變成一個冰封萬裡的白色星球；地球的大氣，如果不是由透明的氮氣和氧氣組成，太陽光穿越不到地表，也就不會有光合作用。海洋佔地球表面的70%面積。生命在海洋裡順利演化成功，才登上陸地。可如果海洋太大，沒有了陸地，也就沒有了生火做飯的爐頭，人類智力的進化會遲滯許多，當然也就沒有了蒸汽機和集成電路……締造出人類智慧的這些偶然事件，在系外行星上是否會再次出現？沒有人知道。但是如果我們能找到第二個地球，科學驗證就成為了可能。受現在的技術限制，我們不可能找到與地球一模一樣的行星。所以我們退一步而尋找所謂的地球2.0——一些與地球大小相似，軌道相似，主星相似的行星。在所有的系外行星中，它們的環境最有可能孕育生命。

克卜勒計劃：2009-2013

就算不那麼了解天文的讀者可能也知道，尋找系外行星不是一件新鮮事。我們現在已確認了4千多個系外行星。可是，這裡面，居然沒有一個長得像地球！

這個故事應該從1995年開始講。這一年，兩位瑞士人（Mayor & Queloz）用法國南部的一個2米小望遠鏡探測到了第一個系外行星，這個發現立即被美國人Marcy & Butler確認。2019年，前面兩位榮獲諾貝爾物理獎，而Marcy卻因性騷擾指控纏身，被UC Berkeley辭退。

圖3. Mayor & Queloz（圖源：nobelprize.org）

這20多年來，地面望遠鏡已找到了近千個系外行星，這些大多也是通過徑向速度法（走Mayor&Queloz的老路），也就是觀測恆星在隱形行星的引力下來回搖擺而找到的。這樣找到的行星大部分與木星一樣質量龐大，離我們要找的地球2.0相差甚遠。幸好，這不是人類唯一的魔法。早在1984年，當我們對地外行星還一無所知時，William Borucki，時任NASA工程師的一個傳奇人物，就已經先知先覺地在籌劃另一種尋找辦法了。他的想法很簡單。每當水星凌日（太陽-水星-地球三體聯線)，水星把太陽的極小一部分擋住，太陽就變得暗了點。一個位置合適（而且足夠聰明）的外星人也可以通過觀測地球凌太陽，來發現我們的地球。當然，凌星事件發生的概率較小，要找到地球2.0，必要觀測大量的恆星，並且要不眨眼地凝視很長的時間（幾年）。另外，我們的測光儀器要足夠精確：地球凌太陽時，只遮住了太陽光碟的萬分之一。

圖4. 自從1995年的第一紀錄至今，每年發現並證實的系外行星數目。克卜勒衛星的入場(2009年)，使凌星法（綠色）主導了近十年來的發現空間。外星世界的豐富性正在我們眼前快速展開。（圖源：參考資料[6]）

所以雖然這個辦法很淺顯，NASA（美國航空航天局）卻不買帳。從1992年Boroucki第一次提議，這個項目接連五次都被NASA用技術不夠成熟的理由絆倒。幸虧William Borucki這個人不僅先知先覺，更有超於凡人的毅力。他不洩氣，耐著性子在地面上發展探測器和探測技術，把技術難關一個個克服，最後終於說服NASA，在2009年把望遠鏡送上了天空——這就是NASA的克卜勒（Kepler）計劃。

克卜勒衛星打開了觀察宇宙的一個大窗口，幾年之內它單槍匹馬地發現了近三千個系外行星（圖4），不僅讓人類所知的地外行星數增長了好幾倍，更重要的是，克卜勒衛星使人類大開眼界，顛覆了我們對系外行星世界的認識。傳統的徑向速度法告知我們的大都是些巨型行星（類似於木星和土星，但也有些例外），而克卜勒揭示了宇宙內一類前所未知但又極其普遍的行星種群（超級地球和亞海王星，見圖5）。這些小型行星繞著銀河系中大約三分之一的恆星近距離運轉。它們比巨行星更為常見三倍，也比後者更令人興奮：它們的大小，與地球相差不遠了。

圖5. 克卜勒任務發現的小型行星在半徑和軌道周期的分布。絕大多數這些行星屬於所謂的「超級地球」或「亞海王星」，它們在日地距離以內圍繞主恆星運行，其大小為1到4個地球半徑。現在普遍認為它們代表了一代行星。克卜勒沒有找到地球2.0（綠色框），但是找到了一些不在宜居帶的類地行星，並且逼近綠色的宜居區域。（圖源：參考資料[11]）

克卜勒計劃成就了整個行星科學領域輝煌的十年（也讓不少人成功拿到教授職位）。可是輝煌中，又有一個未言的遺憾。克卜勒計劃的初衷，是尋找像地球一樣的行星。但是它找到的幾千個行星裡，居然沒有一個長得像地球！

不管是徑向速度技術探測到的巨型行星，還是克卜勒任務發現的亞海王星，它們都可被稱為「一代行星」（太陽系的土，木，天王和海王星就是例子）。它們的表面籠罩著厚厚的氫氣，表明它們是在恆星生命早期的時候形成的。這時，恆星周圍還環繞著一個氫氣盤，是造星工程的廢棄材料。就連那種叫做超級地球的，雖然它們擁有固體的地表，現在理論認為它們其實也是亞海王星，只不過因為太靠近主星，被恆星強烈的X射線剝掉了其與生俱來的氫氣大氣，留下一個裸露的核。相比之下，地球和它的小夥伴行星應該被稱作「二代行星」。它們可能是氫氣盤消失後, 不知道哪來的殘渣碎片碰撞聚攏而成。一代行星不太可能孕育生命。假設你運氣不好，出生在這樣一個行星上頭，你會慢慢地隨風飄落（厚厚的氫氣）到一個軟塌塌的地面— 氫氣的溫室效應將使行星溫度保持在幾千度之高，足以融化鋼鐵；就算那些裸露的行星（超級地球）也好不到哪。這些超級地球離主星這麼近，它們的巖石地表, 就算沒有熱得變成熔漿,也離這個溫度不遠了。反而，正如我們在地球上見證的那樣，二代行星的環境對生命形成和演化更友好些。它們的地下和大氣可能包含生命所需的化學元素（碳，氧，氮等），它們的大氣層可能相對較薄，產生恰當的溫室效應。

不幸的是，克卜勒不僅沒有找到地球2.0，連二代行星好像都沒有找到幾個。難道是太陽系裡出了什麼意外，才產生地球這種異物？

克卜勒的失敗，一個可能的解釋是因為在宇宙裡，地球真的是孤獨的。但是，現在還不是放棄搜索的時候。克卜勒的失敗還有另外幾個原因，足以讓我們堅持找下去。 第一，恆星不「恆」。恆星表面氣候覆雜多變，它們的亮度也不停變化。克卜勒上天后，收到了一份令人不悅的禮物：恆星的閃爍不定，比我們的預想糟糕多了。在這嘈雜的背景下，克卜勒沒法聽到一個萬分之一以下的微弱信號。第二，廠家質量把關不夠。克卜勒運行4年之後，兩個反作用轉動輪連續失靈，整艘耗資6億美元的飛船就因為這些價值20萬美元的陀螺儀發生故障而報廢，從此變成了遊蕩太陽系的孤魂野鬼。但是，在克卜勒所凌視的幾萬顆恆星裡，很可能地球已經開始現了蹤跡。只不過因為它們的聲音太小，被埋藏在恆星的噪音裡，無法解讀。而克卜勒的英年早逝，又使它功虧一簣，與地球失之交臂。克卜勒的這個遺憾，人類能否彌補？

地球2.0與中國空間計劃

2019年12月3日，一場答辯會正在中國空間中心緊張地進行中。上海天文臺和南京紫金山天文臺各提出了一個尋找地球2.0 的空間計劃，十幾個評委正在聽取報告，頻頻發問，⼤展科學家的「刁難」招式。

上海臺的計劃，簡稱為ET（EarthTwo），由7個中等大小的廣角望遠鏡組成（圖6）。這個衛星準備瞄準克卜勒及其附近的幾個天區，持續4年監測二十多萬個亮星，以捕抓到行星凌星時的微弱信號。目前猜測每十個太陽中大約有一個有地球2.0（也就是前文所說的η地球～10%）。如果對的話，ET就能在4年內找到十幾個地球。除此之外，ET還能找到近千個宜居帶外的類地行星，對這些二代行星進行第一次「人口普查」。ET雖然比克卜勒衛星體積小，造價低，但是它的科學價值預計會與克卜勒媲美。科學模擬還表明，這個計劃比它的競爭對手，歐空局正在建造的PLATO飛船，更有把握成功。

圖6. 上海天文臺提出的ET衛星計劃。七個廣角望遠鏡分別凝視著克卜勒已觀察過的天區及其鄰居區域， 通過仔細測量二十多萬個恆星四年中每刻的光度，捕抓到小型行星凌星時的微弱信號。即使每十個太陽中只有一個有地球，ET也能在4年內找到十幾個地球。除此之外，ET可以找到成千上萬個不同種類的系外行星，包括地球的遠親近戚。

在四年內，一個比克卜勒更小的衛星怎麼就能完成克卜勒未盡的業績？除開這十年來的技術進步外，還可以這麼解釋。設想你在一個嘈雜的酒吧裡跟人聊天，你的聲音太小，對方聽不見，你得說多幾次才有效果。我們要尋找的地球，其實可能已經在克卜勒繁浩的數據裡有了蹤跡，我們只需要再認真聽幾次，就可以把它們捕抓到。克卜勒留下的其實不是遺憾，而是一個淘金窟。

紫金山臺的衛星計劃，更是獨闢蹊徑。這個大膽的計劃力主發展另外一種尋找行星的辦法，叫做「天測」。觀測恆星在行星引力的作用下，在星空上的微妙舞步。要探測到地球，這個技術需要達到一個前所未有的精度：微角秒——這相當於分辨出兩根並排放在月亮上的牙籤。但是，確實值得靜下心來，下大力氣攻關。尋覓地球2.0的過程最大地挑戰了人類的創造力。而上海臺和紫臺的兩個計劃互補互助，從不同方向，用不同「節奏」衝刺。地球是否孤獨的命題，很有可能是由中國空間科學驕傲地解答出來的。

世外桃源

找到地球2.0，可不是指望移民到那兒。這些充滿異星情調的世界，動輒離我們幾十甚至上百光年。不過，地球人類正在建設各項空間和地面的巨大望遠鏡，準備耐心地盯著這些小星球（特別是那些凌星的地球），遠距離地勘測它們是否孕育生命。下一場的好戲將更加精彩！

找到地球2.0，整個人類就像一個從封閉山溝裡突然蹦到大城市的小孩，他的眼界突然開闊豐富了許多。「視野決定成就」，我們身邊的一些難題，是不是也會迎刃而解？

作者簡介：武延慶，多倫多大學天文系教授。本科就讀於中國科技大學地空系，後獲加州理工學院天體物理博士，並在倫敦大學和多倫多大學做過博士後研究。目前主要研究方向是行星結構和形成，行星盤及其他。她參與ET計劃的科學設計。

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參考資料

[1] https://www.nasa.gov/ames/kepler/earths-bigger-older-cousin-artistic-concept

[2] 德雷克公式：https://baike.baidu.com/item/德雷克公式

[3] 宜居帶：https://en.wikipedia.org/wiki/Circumstellar_habitable_zone

[4] 尋找系外行星的現有技術：https://en.wikipedia.org/wiki/Methods_of_detecting_exoplanets

[5] 2019年諾貝爾物理獎：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/advanced-information/

[6] 系外行星資料庫：https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu

[7] William Boroucki的故事: https://www.nasa.gov/feature/keplers-borucki-retires-after-five-decades-at-nasa

[8] 克卜勒反作用輪故障: https://www.nature.com/news/the-wheels-come-off-kepler-1.13032

[9] 恆星閃爍對克卜勒的影響：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2011ApJS..197....6G/abstract

[10] 30% 的恆星有小型行星：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2018ApJ...860..101Z/abstract

[11] 超級地球和亞海王星的血緣關係：https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017ApJ...847...29O/abstract

[12] 系外行星的研究未來（歐空局）：https://sci.esa.int/web/exoplanets/-/60657-the-future-of-exoplanet-research

[13] 系外行星的研究未來（NASA）：https://nightsky.jpl.nasa.gov/news-display.cfm?News_ID=692

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