李 良 北京天文館
科學大師伽利略說過：「科學的真理不應該在古代聖人的蒙著灰塵的書上去找，真正的哲學是寫在那本經常在我們眼前打開著的最偉大的書裡面的，這本書就是宇宙，就是自然界本身，人們必須去讀它。」
地球與其他天體最大的不同之處就在於：地球上有生命存在。地球生命是如何起源的？在地球之外，宇宙中還有別的適合生命存在的星球嗎？地球人是宇宙中獨一無二的嗎？千百年來，這是人類苦苦探索的問題。經驗告訴我們，尋找外星人的一項重要的基礎工作是必須搜尋到適於生命居住的類地行星。
一般說來，質量越大的行星就越容易被發現。這些行星本身的運動會造成其宿主恆星圍繞它們公共質心轉動，而這一運動的速度越大在恆星光譜中造成的譜線移動也就越厲害。通過觀測恆星視向速度中的這一都卜勒效應，就能反推出行星的存在。
當行星正好運動到恆星和我們視線之間的時候（稱為「凌星」），個頭越大的恆星造成的恆星亮度降低也就越嚴重（圖1）。例如，當一顆木星大小的行星從一顆類太陽恆星前方經過的時候，大約會遮擋恆星表面的1/100。這會造成恆星的亮度在幾個小時內下降1/100，由此天文學家們可以在地面上觀測到這一變化。
圖1 探測太陽系外行星的凌星方法。如行星軌道正好位於觀測者視線方向上，就會看到行星會經過恆星的前方。由於行星的遮擋，恆星的亮度會下降
隨著都卜勒效應測量精度越來越高，天文學家現在已經可以測量出3.6 km/s的速度所引起的頻移。這就可以來探測質量僅有地球幾倍的行星。而它們凌星時所造成的恆星亮度降低很難從地面上觀測到，除非宿主恆星本身就很小。受制於地球的大氣，地面上的凌星觀測精度始終有限，而且觀測也受到時間的影響。因此最佳的行星凌星觀測必須把望遠鏡送入太空。
2006年12月，歐洲空間局的科羅號系外行星探測器發射升空（圖2），它可以探測到比地面觀測極限還要小得多的太陽系外行星凌星事件。科羅是可以在5個月的時間裡不間斷地同時監測12000顆恆星的亮度變化。
圖2 歐洲空間局的科羅號系外行星探測器
2009年3月6日，美國首顆用於搜尋類地行星的克卜勒空間望遠鏡在卡納維拉爾角發射升空。至此，在地球之外尋找外星人的天文學家有了嶄新的工具來實現其目標。之所以命名為「克卜勒」，是為了紀念17世紀的德國天文學家約翰內斯• 克卜勒（圖3），他在1609～1618 年提出了「行星運動三定律」。耗資將近6億美元的克卜勒空間望遠鏡配備有太空光度計（有口徑95cm光學透鏡），預計將花4年左右的時間，在繞行太陽的軌道上，檢測銀河系的天鵝座與天琴座區域觀測類似於太陽的大約10萬顆恆星系統。其主要目的是，搜尋位於宜居帶中的系外行星，特別是尋找類地行星。談到類地行星，目前一般認為是與地球相類似的行星；它們距離宿主恆星較近，體積和質量都較小，平均密度較大，表面溫度較高，大小與地球差不多，也都是由巖石構成的。天文學家已在太陽系外發現了很多體積巨大的類地行星，一般稱作超級類地行星；科學家推測這些行星擁有與地球相似的板塊構造；它們結構大致相同：一個主要是鐵的金屬中心，外層則被矽酸鹽地幔所包圍；它們的表面一般都有峽谷、隕石坑、山和火山。
圖3 克卜勒被譽為「天空立法者」，這幅油畫展示克卜勒手持行星運動軌道是橢圓，太陽位於其中的一個焦點上，背景懸掛著他的老師——傑出的天文觀測大師第谷的畫像
克卜勒空間望遠鏡使用的觀測方法是「凌星法」，以尋找類地行星和生命存在的跡象。儘管採用凌星探測之後的算法分析將可以識別出大部分的潛在目標，但仍然可能存在漏網之魚。
目前，大部分的太陽系外行星是通過測量「視向速度」法發現的，這種方法很有可能發現靠近其恆星的大行星，而對和地球質量相仿的低質量行星並不敏感。用「凌星法」更適合發現如地球大小的星體。一般用3個參數描述行星凌星的特徵，即凌星的重現周期、凌星的間隔以及恆星亮度的相對變化量。根據凌星現象的周期性，能確定這顆恆星周圍是否存在行星；根據行星凌星時亮度變化的大小能確定行星的大小；根據行星凌星的間隔能計算出行星的軌道以及估計行星的溫度。
「克卜勒」空間望遠鏡探測行星的主要原理是：當恆星系統中的行星運行到「克卜勒」與恆星之間時，由於行星遮擋了一部分恆星發出的光，「克卜勒」上的光度計接收到的恆星亮度會變弱，變化範圍大約是5×10－5～40×10－5，持續大約2～16h。地面科學家可以根據恆星亮度的這種周期性的微弱變化來推算出行星的大小和軌道周期等數據。「克卜勒」可探測的亮度微弱變化可以小到百萬分之十左右。
克卜勒空間望遠鏡的測控由美國科羅拉多大學巨石城分校的大氣與太空物理學實驗室負責。他們將與製造「克卜勒」主要部件——口徑約1m的主鏡和眾多感光微晶片以及望遠鏡飛行系統（圖4）的貝爾公司通力合作。因為行星凌星現象通常只持續幾小時至十幾小時，所以必須至少幾小時測量一次恆星的亮度，並把測量到的光積累進行統計。當「克卜勒」開始尋找行星時，它每30天轉動一次，使高增益天線指向地球，將所獲數據傳給美國航空航天局的深空監測網。「克卜勒」每90天整體轉動90°，以保持太陽電池陣指向太陽，焦平面輻射器指向深空。所觀測到的數據傳送到科羅拉多大學巨石城分校大氣與太空物理學實驗室，此傳輸工作有時會持續36～48個小時。接著，大氣與太空物理學實驗室把這些數據傳送到美國巴爾的摩的太空望遠鏡科學院。最後，再由美國航空航天局的阿姆斯研究中心進行數據的科學分析。
圖4 （a）克卜勒空間望遠鏡結構示意圖，
（b）望遠鏡上部的光度計構造示意圖
與歐洲的「科羅」號系外行星探測衛星相比，克卜勒空間望遠鏡可以在3年半的時間裡不間斷地觀測同一片天區。而「科羅」衛星由於是圍繞地球轉動的，因此地球會遮擋住它的視線；為了避免陽光對觀測的影響，「科羅」對同一片天區的最長連續觀測時間只有5個月。同時「克卜勒」也比「科羅」靈敏得多，其光度計主鏡直徑是「科羅」的3.5倍，因此它能看到大小只有地球一半，和火星差不多大的行星。
克卜勒-10b是第一個由克卜勒空間望遠鏡觀察到並被確認的類地行星。其半徑大約是地球的1.4倍，圍繞它的母星運轉周期不足一天。超精準測量確定這顆星球的質量是地球的4.6倍，在密度上類似於鐵質啞鈴。考慮到它的構成且極為貼近母星，一些科學家認為克卜勒-10b更像一顆超級水星。
談到適宜於生命存在的系外行星，這裡我們簡略說幾句，至少在許多方面要類似於我們的地球，首先是合適的行星質量，由此可以提供其足夠合適的引力，從而保證攏住其大氣層，進而才能保證星球地表溫度；還有極重要的一條，就是地球的化學組成。最關鍵的還是行星要有足夠的液態水，這是生命化學反應必備的一個要素；除了足夠的液態水，當然還有適合植物生長的土壤、行星大氣圈、重力場、磁場等也是生命生存的必要條件，因為它們可以阻擋或過濾掉許多來自恆星的有害輻射。生命存在的條件還特別要求行星距恆星的距離必須恰到好處。研究者們認為，地球如果距離太陽再遠出150萬km（日地平均距離的1%），地球上的水就會完全凍結；假若再靠近太陽750萬km（日地平均距離的5%），由於高溫，生命同樣也不可能存在。
近年研究還表明，地球生命需要巨行星。根據計算機模擬太陽系研究，由於引力作用，木星和土星能夠將一部分彗星「驅逐」到遠離地球的深空。在太陽系演化的早期，太陽的引力使得許多彗星轟擊地球等行星，在模擬中，大彗星撞擊地球的次數提高了約1000倍，即每10萬年就會由此發生一次大規模生物滅絕。在這樣一個充滿危險的世界中，高級生命不可能有進化的時間，也就是說，生命在環境突變（天體撞擊行星）導致滅絕之前得不到充分的發展。幸好有巨行星木星和土星的（保護性）存在，否則人們早就不會長久生活在地球上了。
目前科學家研究認為，在一些具有行星圍繞的恆星周圍，可能存在這樣一個空間區域——稱為生物「可居住帶」或宇宙宜居帶，即處於那個區域中的行星上溫度條件適於生命的發生和發展；行星上的環境溫度，取決於單位時間內落到其單位表面積上來自恆星的輻射量。因此，對年齡不同的恆星來說，這種（生物）「宇宙宜居帶」的尺度是不相同的。從恆星觀測得知，某顆恆星的光度越高，即它的光譜型越「早」，其「宇宙宜居帶」的尺度就越大。談到「宇宙宜居帶」的確切定義，應當說至今科學上仍沒有定論，但近年來有關這方面的科學探討文章已有很多。
美國國家航空航天局2012年9月1日宣布，克卜勒空間望遠鏡發現了另外一個太陽系，其中心區域有一對相互圍繞運行的雙星——克卜勒-47（圖5），該雙星距離地球有4900光年，其中一顆恆星與太陽大小相似，不過亮度僅是太陽的84%。另一顆只有太陽的三分之一那麼大，亮度不及太陽的1%。觀測發現，有兩顆行星在圍繞這對恆星運行，其中一顆處在適合生命體生存繁衍的可居住區域內，也就是說該星球上可能存在液態水，適合生物生存。從地球位置去觀察該行星系，那兩個相互環繞的恆星每隔7天半就會形成一次「凌日」現象。圍繞其公轉的兩顆行星分別是位於內側的克卜勒-47b 和外側的克卜勒-47c。
圖5 雙星克卜勒-47 的行星系圖解之一
儘管克卜勒-47b的半徑是地球的3倍，不過它仍是已知最小的凌日環聯星運轉行星。它圍繞在這對恆星公轉一圈的時間不到50天。雖然無法從地球上直接觀測到該星球的表面，不過據科學家推測，那上面應該是一個悶熱的世界，因為在過熱的環境中，甲烷得到破壞，這種情況可能使該星球上出現濃重的霧霾。克卜勒-47c圍繞恆星運行一圈需要303天。這一顆行星位於可居住區內，也就是說該星球上可能存在液態水，也可能存在適合生物生存的條件。克卜勒-47c可能比海王星稍大，周圍被水蒸氣覆蓋。科學家告訴人們，與太陽系不同的是，很多恆星只是多恆星系統中的一部分，兩個或兩個以上的恆星相圍繞運行的情況並不新鮮。問題是它們是否有行星或行星系，克卜勒空間望遠鏡的這一發現表明，雙星體系也支持兩顆及以上的行星存在，同時展示了行星系多樣性的特點。
如前面介紹過的，克卜勒望遠鏡主要是通過觀測系外行星經過它們自身母恆星時是否會產生亮度的下降，從這種「凌星」來確定這些系外行星的存在。克卜勒望遠鏡一般需要監測到三次這樣的「凌星」才能確定一顆行星候選者。克卜勒空間望遠鏡自2009年3月發射以來已經發現了2700多顆「潛在的」系外行星，其中已經證實有122顆屬於系外行星，但目前還沒有確認它們屬於類地行星的足夠證據。
據美國宇航局於2013年4月18日在《科學》雜誌上公布，克卜勒空間望遠鏡發現了兩個新的行星系，其中包括兩顆和地球環境十分相似的行星，並處於所謂的「宇宙宜居帶」之內。已發現恆星克卜勒-62（距離地球有1200光年）有五顆行星，分別是：62b、62c、62d、62e 和62f。其中克卜勒-62e和62f 的環境和地球最為相似。
克卜勒-62e每122天繞恆星一周，是美國太空總局克卜勒天文望遠鏡自2009年開始進行探測類地行星任務以來發現的第一顆類地行星。克卜勒-62e行星體積比地球大60%。後期發現的克卜勒-62f的軌道周期為267天，由未經檢測的巖石組成，只比地球大40%，是在宜居帶內發現的和地球大小最為接近的外星球。這次發現讓科學家們在尋找和地球一樣的家園的道路上又前進了一步。看來，證實上述行星系是否和地球一樣適合人類居住只是時間的問題。完成這項任務將要求更新、功能更強大的儀器。
迄今為止，並不是所有的科學家都同意生命在太陽系以外其他行星系統裡存在。例如，美國有一位生物學家在2000年接受《時代》雜誌記者採訪時說過這樣的話：「這種生命產生發生的機率非常非常小，不管宇宙中有多少百萬的行星。」還有一位古生物學家與另一位天文學家聯名在《罕見的地球》（2000年出版）中聲稱，儘管微生物這樣的簡單生命可能在其他星球存在，複雜生命形態卻非常罕見。高溫、強烈的輻射和彗星或者小行星的碰撞經常會在生命發展前毀滅掉它們。這兩位科學家認為，智能生物只在地球上存在，是獨一無二的。有一些與上述觀點相反的人們認為，外星人其實就在文明身邊，只不過他們刻意與文明保持距離罷了；還有人認為，外星人對宇宙的殖民擴張還未波及地球，因此憂心忡忡的人類只得苦苦尋找。
事實表明，作為世紀之謎——「外星人」這個話題，無疑將會長期爭論下去，這也是一種人類文化現象。筆者重申，宇宙是物質的，也是平等的（或者說是平權的），自然規律應適用於宇宙的每一個角落；我們必須相信科學，要本著實事求是的原則確立堅定的科學信念。在我們的宇宙裡，一切事物均處在紛繁不停的變化之中，沒有什麼所謂「超自然」的東西。因此，科學研究必須建立在觀測事實的基礎上。關於「外星人」，我們只有也必須採取實事求是的科學態度。正如恩格斯在100多年前所說的，「從歷史的觀點來看，這件事也許有某種意義：我們只能在我們時代的條件下進行認識，而且這些條件達到什麼程度，我們便認識到什麼程度。（恩格斯：《自然辯證法》）」
本文選自《現代物理知識》2013年第6期 時光摘編
《現代物理知識》
搜素微信號
mpihep
長按掃碼關注我們