太陽系之外的宜居行星在“三體”？

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：韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，以下簡稱“韋布”）確認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“下一個地球”，目的地應(yīng)該設(shè)在哪里呢？

讓我們跟隨科學家們的研究，一步步尋找這些問題的答案。

一、TESS發(fā)現(xiàn)凌星信號，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”了一顆系外行星，而不是“發(fā)現(xiàn)”，因為最早發(fā)現(xiàn)它的其實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的行星的編號是這顆恒星的編號之后加字母b。韋布確認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，是因為TESS觀測到LHS 475的亮度出現(xiàn)了45次周期性的凌星信號。

什么是凌星信號？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、導致凌星現(xiàn)象的示意圖。凌星現(xiàn)象導致恒星的亮度（Brightness）變化曲線（光變曲線，light curve）發(fā)生周期性的凹陷。由于行星的大小遠小于恒星，因此每次遮擋導致的亮度變化都非常微弱。

（圖片來源：Hans Deeg）

TESS擁有4個口徑為10厘米的小望遠鏡，再搭配4個CCD，總視場高達2300平方度，相當于約12100個滿月在天空中占據(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)，它可以在一個觀測周期內(nèi)觀測到幾次完整的凌星過程。

當TESS的“目光”注視著LHS 475所在的區(qū)域時，它“看到”LHS 475每次凌星的持續(xù)時間約為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的行星獲得了一個臨時編號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)一圈的時間為2.029天。

二、韋布接力，確認系外行星的身份

Lustig-Yaeger與Fu領(lǐng)銜的團隊（以下簡稱“LF團隊”）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，每次觀測的時間持續(xù)4.4小時。

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團隊將不同波段的亮度合成為總亮度。

LF團隊的兩次觀測確認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)面證實了TESS的靈敏度。

LF團隊對數(shù)據(jù)的分析徹底排除了假陽性的可能性，從而確認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。橫坐標為時間，單位為小時；縱坐標為相對亮度。為了易于區(qū)分，兩次觀測得到的兩組數(shù)據(jù)被沿著縱坐標移動了一定距離。

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

這是韋布確認的第一顆系外行星。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鏡所確認。

當然，在進一步的研究確認之前，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，因為黑子和耀斑等現(xiàn)象雖然會導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團隊得到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）。

這么近的距離會導致“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，否認三連

LF團隊利用先前得到的光譜數(shù)據(jù)計算出LHS 475 b 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 475 b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團隊的計算表明，它的整體平均溫度達到 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團隊得到了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，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，它只能給出否認三連了。

事實上，這次通過韋布的觀測只是進一步確認了一個大小類似于地球的“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團隊的論文也根本沒有說他們找到了一顆宜居行星（因為它不是?。。?。他們強調(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。

這并非是天文學家首次獲得巖石行星的透射光譜，因為哈勃（Hubble）空間望遠鏡與斯皮澤（Spitzer）空間望遠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，但天文學家此前已經(jīng)確認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。

一些被確認的可能的宜居行星的藝術(shù)想象圖的合集。每個行星下方的括號內(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?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。雖然天文學家直到2016年才確認了這顆行星（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，天文學家又確認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)“恒紀元”與“亂紀元”的交替。

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

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）與更遠的南門二雙星（比鄰星右上方的兩個點）。

（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)實中，那里可能還沒演化出任何高級生命，生活在比鄰星b上的生命可能還沒水熊蟲高級。如果那里真有文明高度遠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)送地球的坐標才開始行動。

所以，筆者認為，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，再造一個家園。

當然，這些還只是對遙遠的未來的暢想。比鄰星雖然相對近，但以當前的科技水平，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，人類還沒有辦法實現(xiàn)這樣的飛行。因此，即使比鄰星b確實宜居，我們短期內(nèi)也難以企及。正因為如此，我們更要珍惜、愛護這顆寶貴而可愛的藍色星球——它是我們當下唯一宜居的家園。[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。

作者：王善欽