海內存知己 天涯若「比鄰」——離我們最近的恆星旁有類地行星!

2021-03-01 上海科技館


歐洲中部時間8月24日晚，歐洲南方天文臺召開了新聞發布會，宣布在與地球最近的恆星比鄰星周圍發現一顆位於宜居帶內的行星！

由於比鄰星（Proxima）是我們的隔壁鄰居，距離我們僅4.23光年，所以這項發現引起了格外的關注。這顆行星被命名為比鄰星b（Proxima b），距離比鄰星只有700萬公裡（0.047天文單位），繞行一周只需要11.2天。儘管這個距離我們的水星到太陽的距離還要近得多得多（只有後者的12%），但由於比鄰星本身是顆紅矮星，質量為太陽的0.123倍，光度僅為太陽的1.55‰，表面溫度2800K，這使得行星比鄰星b仍然處於所謂的「宜居帶」，擁有允許液態水存在的適宜溫度。然而這個距離上會遭受來自恆星非常強烈的紫外線和X射線的照射，相比於地球空間環境可能更為惡劣。


太陽-水星（左）與比鄰星-比鄰星b（右）的大小、位置的比較（來源：ESO/M. Kornmesser/G. Coleman）

比鄰星是南門二（半人馬座α）三星系統中的一顆恆星，相較於南門二雙星來說更靠近地球，因此被冠以「比鄰星」之名。雖然南門二是全天第四亮的恆星（-0.3等），但比鄰星的視星等卻只有11等，太暗太暗了，不僅無法用肉眼看到，連地面望遠鏡觀測它也不太容易。今年上半年，歐南臺位於智利拉西拉天文臺（La Silla）3.6米口徑的HARPS光譜儀對比鄰星進行了非常細緻的觀測。在行星圍繞恆星運轉時，行星的引力作用會令恆星的視向速度（即朝向和遠離地球方向的速度）產生微小的變化，這些變化會反映在恆星光譜中的吸收線上，呈現非常小的都卜勒效應。HARPS就是這樣一臺特別設計的極為精密的儀器，能夠探測到小於每秒1米的都卜勒位移。想像一下，一個極為暗弱的紅色光點在很小的範圍內前後擺動，雖然眼睛看不出，但在光譜儀面前，行星卻露出了馬腳。

南門二、比鄰星在天空中的位置（來源：Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani）

可以這麼說，在滿天無數恆星中，比鄰星永遠是我們最關注的焦點之一，因為它是我們太陽系不折不扣的鄰居，所謂「遠親不如近鄰」嘛。事實上關於比鄰星（包括南門二系統）周圍行星的探測近幾年就沒停過。2013年歐南臺以及美國部分設備就已經有所發現，但並未得到具有說服力的結果。就說今年1月中旬到4月期間，相關的觀測數據也都是公開的，只不過直到今天才最終完成了論文，向公眾正式宣布。

南門二A/B和比鄰星與我們的距離（來源：ESO/Pale Red Dot）

最新的數據是由叫做「黯淡紅點」計劃（Pale Red Dot）的項目取得的，結合早期的歐南臺及其他天文臺的觀測資料才終於發現這樣一個令人興奮的明確結果。探測發現，比鄰星有時候會以5km/h的速度（相當於正常人的步行速度）靠近地球，有時候又以相同速度遠離地球。如此微小的變化恰恰就在HARPS的探測範圍內，天文學家由此可以推算出徑向速度的重複周期為11.2天。再做進一步分析推算出造成這種結果的原因可能就是存在著一顆約為1.27倍地球質量的行星。

研究人員古伊勒姆·安格拉達-埃斯庫德（Guillem Anglada-Escudé）談到這個話題時依然難掩興奮，他說仔細核對了「黯淡紅點」計劃60個晚上的數據，前10個的時候「看著還行」，檢查到前20個晚上認為「值得期待」，等到檢查了30個晚上的時候可以說「相當明確」了，當即決定起草論文。當然，研究團隊也十分謹慎，利用其它設備仔細排除其它的可能，因為紅矮星相較於太陽而言本身質量很小光度也很弱，會表現出類似行星的舉動。


自2016年1月1日以來觀測到的比鄰星的視向速度周期性變化（來源：ESO/G. Anglada-Escudé）

研究團隊發表了兩篇論文討論了比鄰星b的宜居性及其氣候。他們發現目前這顆星球上在一定條件下存在液態水的可能性不能排除，他們認為在陽光最充足的地區，液態水或許能存在於地表，比方說同步自轉（像月亮那樣）情況下朝著恆星的半球，或者是3:2共振模式（像水星那樣）中所謂的熱帶地區。總之比鄰星b的自轉比較特別，再加上受到恆星的輻射，以及行星形成的歷史，令比鄰星b的氣候與地球風格迥異，簡單說，它上面是沒有季節的。


研究人員給出的對比鄰星b公轉和自轉在1:1和3:2兩種共振模式下二氧化碳濃度及表面溫度的預測（來源：Turbet et al., A&A, submit/1646893）

平心而論，發現系外行星如今已經不是什麼新聞了，但是發現紅矮星邊的類地行星還是會讓人興奮一下，而在距離我們那麼近的地方有一顆和地球差不多大小的星球，我們的小心臟難免會加速跳動。「海內存知己，天涯若比鄰。」地球人尋找知音的渴望或許也是與生俱來的。不管怎樣，這項發現一定會掀起全球範圍更為廣泛的研究，包括現有的設備以及未來的巨型光學望遠鏡，必將繼續把比鄰星和南門二系統列為必選科目。就像我們昨天提到的，霍金的「突破攝星」計劃也是瞄準比鄰星的。如果瘋狂的想法真能實現的話，或許在未來一兩百年裡，甚至在我們有生之年就能看到4.23光年外，離地球最近的一顆系外行星長什麼樣了。太不可思議了，想想還是有點小激動呢！


藝術家筆下的比鄰星b上的景象（來源：ESO/M. Kornmesser）

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