想找太陽系之外的宜居行星？那還得向“三體人”要地盤

出品：科普中國

作者：王善欽

監(jiān)制：中國科普博覽

2023年1月9日，以Jacob Lustig-Yaeger與Guangwei Fu為共同第一作者的一篇論文宣布：韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱“韋布”）確認(rèn)了一顆新的太陽系外的行星（系外行星），并獲得了它的透射光譜。[注1]

由于這顆行星的質(zhì)量與半徑接近地球的質(zhì)量與半徑，有些媒體甚至說韋布發(fā)現(xiàn)了宜居行星（即適宜于生命生存與演化的行星）。

那么，韋布是如何確認(rèn)系外行星存在的呢？這顆行星真的宜居嗎？如果有一天，我們要前往“下一個(gè)地球”，目的地應(yīng)該設(shè)在哪里呢？

讓我們跟隨科學(xué)家們的研究，一步步尋找這些問題的答案。

一、TESS發(fā)現(xiàn)凌星信號(hào)，推測有系外行星存在

首先，請注意上文中我們說的是韋布“確認(rèn)”了一顆系外行星，而不是“發(fā)現(xiàn)”，因?yàn)樽钤绨l(fā)現(xiàn)它的其實(shí)是凌星系外行星巡天衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）。

潔凈間里的TESS

（圖片來源：NASA）

根據(jù)系外行星的命名規(guī)則，某顆恒星的第一顆被確認(rèn)的行星的編號(hào)是這顆恒星的編號(hào)之后加字母b。韋布確認(rèn)的這顆系外行星的母恒星是LHS 475，所以這顆系外行星的編號(hào)是LHS 475b。

LHS 475是一顆紅矮星，位于南極座方向，距離地球約41光年（1光年=9.46萬億千米）。

紅矮星以及圍繞它公轉(zhuǎn)的一顆行星的藝術(shù)想象圖

（圖片來源：National Science Foundation）

紅矮星屬于主序星。什么是主序星？簡單說，主序星就是內(nèi)部只發(fā)生氫聚變反應(yīng)的恒星。我們的太陽也是一顆主序星，它屬于黃矮星。紅矮星與黃矮星中的“紅”與“黃”分別反映了他們的大致顏色。紅矮星的溫度比黃矮星的溫度低，因此顯得紅。也許比起紅矮星、黃矮星，很多讀者更加熟悉白矮星。不過需要注意的是，白矮星不是主序星。

理論上，紅矮星是宇宙中最普遍存在的一類恒星。它們的質(zhì)量、溫度、半徑與熱亮度都低于太陽。此前的研究表明，LHS 475的質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的0.26倍，半徑約為太陽半徑的0.28倍，表面溫度約為3300 K（太陽的表面溫度為5772 K），熱亮度為太陽的0.009倍。

LHS 475b最早被推斷存在，是因?yàn)門ESS觀測到LHS 475的亮度出現(xiàn)了45****次周期性的凌星信號(hào)。

什么是凌星信號(hào)？這要從尋找系外行星的最重要的方法之一“凌星法”說起。

“凌星”指的是恒星發(fā)出的光被其他小得多的天體遮擋而導(dǎo)致的亮度變暗，太陽系內(nèi)的金星與水星遮擋太陽而產(chǎn)生的“金星凌日”與“水星凌日”現(xiàn)象都屬于凌星現(xiàn)象。

根據(jù)恒星亮度的周期性變暗，可以推斷它們發(fā)生了凌星現(xiàn)象，從而推斷它們有行星。

圖：行星（Planet）遮擋恒星（Star）發(fā)出的部分光、導(dǎo)致凌星現(xiàn)象的示意圖。凌星現(xiàn)象導(dǎo)致恒星的亮度（Brightness）變化曲線（光變曲線，light curve）發(fā)生周期性的凹陷。由于行星的大小遠(yuǎn)小于恒星，因此每次遮擋導(dǎo)致的亮度變化都非常微弱。

（圖片來源：Hans Deeg）

TESS擁有4個(gè)口徑為10厘米的小望遠(yuǎn)鏡，再搭配4個(gè)CCD，總視場高達(dá)2300平方度，相當(dāng)于約12100個(gè)滿月在天空中占據(jù)的面積，超過全天區(qū)域的5%。

因此，它可以一次性觀測海量的恒星。

此外，TESS在每個(gè)區(qū)域要持續(xù)觀測至少27天。對于那些每隔幾天就發(fā)生一次凌星現(xiàn)象的行星系統(tǒng)，它可以在一個(gè)觀測周期內(nèi)觀測到幾次完整的凌星過程。

當(dāng)TESS的“目光”注視著LHS 475所在的區(qū)域時(shí)，它“看到”LHS 475每次凌星的持續(xù)時(shí)間約為40分鐘，每次變暗的比例是千分之0.978。

如此規(guī)律的數(shù)據(jù)意味著，它可能被一顆行星周期性地遮擋。

因此，這顆可能圍繞LHS 475的行星獲得了一個(gè)臨時(shí)編號(hào)TOI 910.01。后續(xù)的研究表明，如果TOI 910.01真的存在，它圍繞母恒星公轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為2.029天。

二、韋布接力，確認(rèn)系外行星的身份

Lustig-Yaeger與Fu領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)（以下簡稱“LF團(tuán)隊(duì)”）于2022年8月31日與2022年9月4日用**韋布的**近紅外光譜儀（Near-Infrared Spectrograph，NIRSpec）兩次觀測了LHS 475的亮度演化，每次觀測的時(shí)間持續(xù)4.4小時(shí)。

潔凈間里的近紅外光譜儀。

（圖片來源：Astrium GmbH - Astrium GmbH）

在獲得光譜數(shù)據(jù)后，LF團(tuán)隊(duì)將不同波段的亮度合成為總亮度。

LF團(tuán)隊(duì)的兩次觀測確認(rèn)LHS 475的亮度出現(xiàn)周期性的降低，每次變暗的比例是千分之1.06，與由TESS的數(shù)據(jù)得到的千分之0.978非常接近，這也側(cè)面證實(shí)了TESS的靈敏度。

LF團(tuán)隊(duì)對數(shù)據(jù)的分析徹底排除了假陽性的可能性，從而確認(rèn)有一顆行星周期性地遮擋了這顆恒星，它就是LHS 475b（此前的TOI 910.01）。

韋布獲得的恒星LHS 475的亮度演化圖。橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為小時(shí)；縱坐標(biāo)為相對亮度。為了易于區(qū)分，兩次觀測得到的兩組數(shù)據(jù)被沿著縱坐標(biāo)移動(dòng)了一定距離。

（圖片來源：Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1）

這是韋布確認(rèn)的第一顆系外行星。此前，韋布雖然拍攝過系外行星WASP-96b的光變曲線、光譜以及HIP 65426b的圖像，但它們都在韋布觀測之前被其他望遠(yuǎn)鏡所確認(rèn)。

當(dāng)然，在進(jìn)一步的研究確認(rèn)之前，TESS的45次凌星觀測已經(jīng)足以讓多數(shù)人相信這顆系外行星存在，因?yàn)楹谧雍鸵叩痊F(xiàn)象雖然會(huì)導(dǎo)致恒星整體亮度出現(xiàn)輕微變化，但卻不可能如此有規(guī)律。

LHS 475照射LHS 475b的藝術(shù)想象圖。

（圖片來源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)）

根據(jù)數(shù)據(jù)，LF團(tuán)隊(duì)得到LHS 475b公轉(zhuǎn)軌道的半長軸約為恒星半徑的15.87倍。結(jié)合恒星半徑值，這個(gè)值約等于0.02天文單位（1天文單位=地球與太陽之間的平均距離=1.496億千米）。

這么近的距離會(huì)導(dǎo)致“潮汐鎖定”現(xiàn)象發(fā)生，使行星的一面始終面對著恒星——因此始終是白天，另一面始終背對著恒星——因此始終是黑夜。

三、LHS 475b有宜居行星的潛力嗎？從溫度到大氣，否認(rèn)三連

LF團(tuán)隊(duì)利用先前得到的光譜數(shù)據(jù)計(jì)算出LHS 475b 的直徑約為地球直徑的 99%，并假定其密度結(jié)構(gòu)類似于地球，由此推斷出它的質(zhì)量約為地球質(zhì)量的91%。

LHS 475b的藝術(shù)想象圖。

（圖片來源：NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)）

乍一看，這顆星球好像有著和地球差不多的大小，這種相似會(huì)讓一些人誤以為LHS 475b是一顆宜居行星。

那么，它真的宜居嗎？

事實(shí)上，行星宜居的要求有很多，最低的要求是：至少有部分區(qū)域不太冷也不太熱，可以存在液態(tài)水。

然而，還記得嗎？前文提到，LHS 475b與母恒星的距離僅為0.02天文單位，因此它的整體平均溫度比較高。LF團(tuán)隊(duì)的計(jì)算表明，它的整體平均溫度達(dá)到 586K（313攝氏度）；如果它沒有大氣或只有稀薄大氣，那么它面向恒星的一面的溫度達(dá)到為748K（475攝氏度）。顯然，它的溫度太高，并不適合生命存在。

除了溫度太高之外，這顆行星的大氣可能也不適應(yīng)生命的生存與演化。

根據(jù)韋布的近紅外光譜儀的觀測，LF團(tuán)隊(duì)得到了LHS 475的透射光譜，雖然得到的透射光譜精確度較低，沒能顯示出任何元素或分子的特征。

不過，對光譜數(shù)據(jù)的擬合依然排除了幾種大氣模型，特別是類似于地球的大氣模型。他們的模型認(rèn)為，即使這顆行星存在大氣，其大氣也只能是類似于火星/多云的金星/多霧的土衛(wèi)六的大氣。這樣的大氣顯然是不宜居的。

韋布獲得的恒星LHS 475b的透射光譜數(shù)據(jù)（黑色點(diǎn)，其中的黑色線表示誤差范圍）與不同大氣模型對光譜數(shù)據(jù)的最佳擬合：橙色線表示金屬豐度乘1000倍的太陽大氣模型，紫色線表示有水蒸氣的大氣模型，黑色線表示有二氧化碳的大氣模型，淡粉色線表示有甲烷的大氣模型，青藍(lán)色線表示地球大氣模型，灰色虛線表示有沒有大氣的模型。

（圖片來源：Lustig-Yaeger & Fu, et al. 2023, arXiv:2301.04191v1）

所以，如果有人非要說LHS 475b是一顆宜居行星，它只能給出否認(rèn)三連了。

事實(shí)上，這次通過韋布的觀測只是進(jìn)一步確認(rèn)了一個(gè)大小類似于地球的“類地行星”（巖石行星的一類）的存在性，并利用獲得的透射光譜限制了它的大氣類型。

LF團(tuán)隊(duì)的論文也根本沒有說他們找到了一顆宜居行星（因?yàn)樗皇前。。?。他們?qiáng)調(diào)的是，韋布得到的數(shù)據(jù)對LHS 475b的大氣成分的限制以及韋布觀測的敏銳性——對于低于百萬分之50的亮度變化，韋布也足夠敏感。

這并非是天文學(xué)家首次獲得巖石行星的透射光譜，因?yàn)楣℉ubble）空間望遠(yuǎn)鏡與斯皮澤（Spitzer）空間望遠(yuǎn)鏡在此前已獲得了一些巖石行星的透射光譜，并用這些光譜排除了一些大氣模型。

四、如果要選出“下一個(gè)地球”，目前發(fā)現(xiàn)的哪顆行星最有戲？

說了這么多，好像都是讓人失望的消息。不過我們大可不必悲觀：雖然LHS 475b不是一顆宜居行星，但天文學(xué)家此前已經(jīng)確認(rèn)了一些可能宜居的行星，比如TRAPPIST-1擁有的7顆行星中有4顆（TRAPPIST-1d、e、f與g）可能處于宜居帶，其中TRAPPIST-1d與TRAPPIST-1e的整體平均溫度分別約為286.2K（13.1攝氏度）與249.7K（?23.5攝氏度），它們的質(zhì)量分別約為地球質(zhì)量的0.4與0.7倍。

一些被確認(rèn)的可能的宜居行星的藝術(shù)想象圖的合集。每個(gè)行星下方的括號(hào)內(nèi)的數(shù)字表示其距離，以光年（ly）為單位。為便于比較，地球（Earth）、火星（Mars）、木星（Jupiter）與海王星（Neptune）的大小也被按照比例放在圖中右側(cè)。

（圖片來源：PHL @ UPR Arecibo）

在這些宜居行星中，離我們最近的是圍繞著比鄰星公轉(zhuǎn)的行星“比鄰星b”（Proxima b）。

比鄰星也是一顆亮度相當(dāng)?shù)偷募t矮星，它與我們的距離僅為4.2光年。比鄰星b與比鄰星的距離為0.05天文單位，整體平均溫度約為234K（?39攝氏度）。

比鄰星b的藝術(shù)想象圖（右），以及它與地球（左）的大小的比較。（圖片來源：PHL @ UPR Arecibo, NASA EPIC Team）

對于科幻迷來說，比鄰星可是鼎鼎大名。小說《三體》中的“三體人”就被假定住在圍繞比鄰星的行星上面。雖然天文學(xué)家直到2016年才確認(rèn)了這顆行星（比鄰星b）的存在，但此前有不少小說都假設(shè)比鄰星存在行星。2019年，天文學(xué)家又確認(rèn)了比鄰星的另外兩顆行星，比鄰星c與比鄰星d。不過，比鄰星c的存在性于2022年受到了質(zhì)疑。

比鄰星與附近的南門二（半人馬座α星）雙星構(gòu)成了三星系統(tǒng)。小說《三體》假定比鄰星的行星在三星系統(tǒng)中不穩(wěn)定，因此出現(xiàn)“恒紀(jì)元”與“亂紀(jì)元”的交替。

這樣的場景真的會(huì)發(fā)生嗎？實(shí)際上，南門二與比鄰星的距離足夠遠(yuǎn)，因此對整個(gè)比鄰星系統(tǒng)都沒有什么干擾，比鄰星b上面并不會(huì)出現(xiàn)《三體》中想象的“亂紀(jì)元”。

就目前的情況來看，如果有一天，我們的后代要坐飛船移居到太陽系外的宜居行星，比鄰星b應(yīng)當(dāng)是首選。換句話說，如果我們要找太陽系外的宜居行星，那我們得找想象中的“三體人”要地盤。

比鄰星b地形的藝術(shù)想象圖。圖中也顯示了在上面看到的比鄰星（圓盤狀）與更遠(yuǎn)的南門二雙星（比鄰星右上方的兩個(gè)點(diǎn)）。

（圖片來源：ESO/M. Kornmesser）

在小說中，“三體人”的科技水平可以碾壓地球人；但在現(xiàn)實(shí)中，那里可能還沒演化出任何高級(jí)生命，生活在比鄰星b上的生命可能還沒水熊蟲高級(jí)。如果那里真有文明高度遠(yuǎn)超地球文明的外星生命，他們可以用星冕儀輕而易舉地屏蔽太陽光，從而拍攝到地球的圖像，根本不用等葉文潔給他們發(fā)送地球的坐標(biāo)才開始行動(dòng)。

所以，筆者認(rèn)為，將來如果我們要去往太陽系外的宜居行星，大可以放心地去比鄰星b開荒，再造一個(gè)家園。

當(dāng)然，這些還只是對遙遠(yuǎn)的未來的暢想。比鄰星雖然相對近，但以當(dāng)前的科技水平，人類發(fā)射出去的飛船也得飛行幾萬年才可以到達(dá)那里；在此期間，人類要在飛船上繁衍上千代。在可見的未來，人類還沒有辦法實(shí)現(xiàn)這樣的飛行。因此，即使比鄰星b確實(shí)宜居，我們短期內(nèi)也難以企及。正因?yàn)槿绱?，我們更要珍惜、愛護(hù)這顆寶貴而可愛的藍(lán)色星球——它是我們當(dāng)下唯一宜居的家園。[注2]

注釋

[注1] 如果行星有大氣，那么穿過行星大氣后的恒星光，和未經(jīng)遮擋的恒星光之間肯定是不同的，通過比較二者的差異，可以得到透射光譜，進(jìn)一步研究透射光譜，就可能判定出行星大氣中包含的元素或分子的種類。

[注2] 比鄰星b與其他同類行星是可能宜居行星，但并不是一定宜居的行星。地球是目前唯一確定的宜居行星。