蔡如鵬

“開普勒”出發(fā)尋找另一顆地球，無論它發(fā)現(xiàn)了什么，都將會使太陽系外行星探測進(jìn)入一個新紀(jì)元

400年前，開普勒因提出行星運(yùn)動定律而開創(chuàng)天文學(xué)新局面?，F(xiàn)在，一架以這位德國天文學(xué)家名字命名的太空望遠(yuǎn)鏡又被天文學(xué)家們寄予了新的希望。

3月6日夜，“開普勒”太空望遠(yuǎn)鏡在美國卡納維拉爾角空軍基地被送入太空，用以搜尋太陽系外與地球相似的行星。

搜尋外星人的家

類地行星指的是大小與地球相接近的行星，被認(rèn)為是宇宙中最有可能存在生命的地方，因而在天文學(xué)研究中一直占有舉足輕重的位置。此前，通過地面望遠(yuǎn)鏡和其他太空探測器，天文學(xué)家已經(jīng)在太陽系外發(fā)現(xiàn)了340多顆行星(包括幾顆類地行星)，但它們表面的溫度都太高，并不適合生命生存。

“開普勒”的優(yōu)勢在于，它所攜帶的設(shè)備十分靈敏，能夠檢測到更小、更冷、更適宜生命生存的類地行星。

作為世界上第一個專門用來尋找類地行星的航天器，“開普勒”攜帶了一架直徑95厘米的望遠(yuǎn)鏡，其核心是一個9500萬像素的數(shù)碼相機(jī)。在漆黑的太空中，它可以觀測到地球上一盞普通燈的熄滅。

適合生物生存的類地行星必須與恒星保持適當(dāng)?shù)木嚯x，不能太近，也不能太遠(yuǎn)。只有這樣溫度才不會太高而把水燒開，也不會因為溫度太低而變成一個冰封的世界。

“如果有許多類地行星存在，那么就可能會有許多生命?！边@項研究的首席科學(xué)家、美國航天局艾姆斯研究中心的威廉?博勒茨基說，“我們不是找外星人，而是找外星人的家?！?/p>

這位天文學(xué)家同時強(qiáng)調(diào)，“開普勒”的重點(diǎn)不在于找到任何特定行星，而是看看宇宙中類地行星到底有多罕見。

據(jù)悉，未來3至4年，這架耗資接近6億美元的太空望遠(yuǎn)鏡，將對銀河系天鵝星座與天琴星座的一小塊天區(qū)，進(jìn)行“不眨眼”的持續(xù)觀察，所監(jiān)測的恒星數(shù)量將超過10萬個。

這些恒星雖然全在地球幾百光年之外，但均位于天空中的同一方向。美國華盛頓卡內(nèi)基研究院參與這一研究的天文學(xué)家艾倫?博斯說：“這就像你打算研究一座城市，要先調(diào)查它的一片街區(qū)一樣?！_普勒將告訴我們，必須搜查多少間‘房子，才能找到人類的鄰居?！?/p>

觀察燈塔邊的螢火蟲

搜尋太陽系外的行星并不是一件容易的事情。

其中，最大障礙是恒星會發(fā)出強(qiáng)烈的光芒，掩蓋了行星的存在。北京大學(xué)物理學(xué)院天體物理學(xué)家劉曉為對《中國新聞周刊》打比方說：“這就好比幾十公里外有一盞耀眼的燈塔，你要在它附近找螢火蟲，非常困難?！?/p>

因此，直到1995年，天文學(xué)家才發(fā)現(xiàn)了第一顆太陽系外的行星。

事實上，這顆行星并不是天文學(xué)家直接“觀察”到的，而是利用“視向速度法”間接證實了它的存在。

由于引力作用，行星會對母恒星的運(yùn)動產(chǎn)生影響，使其出現(xiàn)周期性的輕微擺動。這種細(xì)微變化能夠在恒星的視向速度(天體沿觀測者視線方向單位時間內(nèi)移動的距離)中得到準(zhǔn)確的反映。因此，通過測算恒星的視向速度，就可以間接地尋找它附近的行星。

目前已發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星，絕大多數(shù)都是通過“視向速度法”找到的。但這種方法只適合“觀察”質(zhì)量較大、距離恒星很近的行星(這類行星由于大小類似于木星，因此也被稱為“熱木星”)，而對更小的類地行星，這種方法無能為力。

劉曉為告訴《中國新聞周刊》：“木星對太陽視向速度的影響大概是10米每秒，而地球只有零點(diǎn)幾米每秒，很難觀測?！币虼?，視向速度法不適合尋找類地行星。

“開普勒”則是通過跟蹤“凌日”現(xiàn)象來尋找那些“失落的世界”。

“凌日”是指當(dāng)行星位于恒星和觀測者之間時，出現(xiàn)的一種天文現(xiàn)象。比如在地球上可以觀測到水星凌日或金星凌日，這時人們看到太陽表面上仿佛有個小黑點(diǎn)在緩緩移動。同樣，觀測其他恒星系統(tǒng)也有可能看到類似的凌日現(xiàn)象，從而證實行星的存在。

事實上，2006年12月歐洲發(fā)射的“科羅”天文望遠(yuǎn)鏡，已經(jīng)通過“凌日”現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止最小的類地行星。不過，這顆大小相當(dāng)于地球兩倍的行星溫度極高，無法滿足生命存在的基本條件。

與圍繞地球轉(zhuǎn)動的“科羅”不同，“開普勒”將會在遠(yuǎn)離地球的軌道上繞太陽轉(zhuǎn)動，以避免地球?qū)ζ溆^測的干擾。

同時，這也可以使“開普勒”能夠在3年半的時間里不間斷地觀測同一片天區(qū)，而“科羅”由于地球的阻擋，對同一片天區(qū)的最長連續(xù)觀測時間只有5個月。

如果一顆類地行星的公轉(zhuǎn)周期也是1年，而它恰巧又位于“開普勒”的視場之內(nèi)，那就意味著它將有3次“凌日”現(xiàn)象被記錄下來。

艾倫?博斯說，當(dāng)你第一次觀察到恒星亮度“變暗”時，不能說明任何問題。只有觀測到第二次“變暗”，你才能說這可能是“凌日”現(xiàn)象，不過這仍無法確定，你還需要等待下一次“變暗”。如果第三次“變暗”如期而至，基本就可以斷定這是一顆行星了，不過出于謹(jǐn)慎，你還應(yīng)該繼續(xù)等待第四次“變暗”的出現(xiàn)，“而這些都需要持續(xù)不間斷地長時間監(jiān)測，才能排除諸如恒星亮度自身漲落等因素的干擾”。

另外，“開普勒”具有非常廣闊的觀測視場范圍，至少能覆蓋10萬顆恒星，“足以構(gòu)成一個具有統(tǒng)計學(xué)意義的樣本”，博斯說。事實上，這也是不使用“哈勃”望遠(yuǎn)鏡的原因——它的視場太小。

成功需要運(yùn)氣

“開普勒”最終能發(fā)現(xiàn)多少顆類地行星，現(xiàn)在沒人說得清楚。

不過，天文學(xué)家一般從理論上推測認(rèn)為，類地行星相當(dāng)普遍。博斯說，恒星在形成的時候，大量殘留下來的物質(zhì)會在其周圍形成一個“盤”，逐漸演化成行星系統(tǒng)，“要讓類地行星無法形成，實際上反而會比較困難”。

與此同時，天文學(xué)家說，類地行星要比“熱木星”更容易形成。此前觀測到擁有“熱木星”的恒星，在所有恒星中所占比例至少有10%，甚至可以達(dá)到20%。因此，他們認(rèn)為，類地行星的存在應(yīng)該更加普遍才對。

“由于觀測手段及精度的限制，現(xiàn)在還無法準(zhǔn)確估計宇宙中類地行星存在的數(shù)目，但粗略估計，銀河系中可能存在上億顆類地行星?！眹姨煳呐_副臺長趙剛對《中國新聞周刊》說，“如果銀河系的觀測結(jié)果可以推及到其他星系，那么宇宙中的類地行星數(shù)目將是一個非常巨大的天文數(shù)字。”

趙剛曾于2009年1月借助視向速度法發(fā)現(xiàn)了一顆太陽系外行星。這也是中國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一顆太陽系外行星。他說，如果“開普勒”的探測獲得成功，人們對類地行星的認(rèn)識將有質(zhì)的飛躍。

不過，“開普勒”的成功或許還需要一些運(yùn)氣。

博斯說，如果假設(shè)每顆恒星都有一顆類地行星，而在1000顆類地行星中有一顆被觀測到，那么“開普勒”就能“看”到大約100顆類地行星。

“不過假如我們錯了，比如說，每100顆恒星才有一顆類地行星，那么‘開普勒就只能找到一顆。如果運(yùn)氣不好，甚至連一顆也找不到。如果每1000顆恒星中才有一顆恒星擁有類地行星，那發(fā)現(xiàn)它們真的需要運(yùn)氣。”博斯說。

博勒茨基說，如果找到了數(shù)量可觀的類地行星，那么未來15年，必定將掀起一股研究這些行星的熱潮，比如仔細(xì)地探索上面是否有氧以及其他和生命有關(guān)的證據(jù)。

不過，“開普勒”找到的結(jié)果也有可能走向另一個極端。如果最終發(fā)現(xiàn)的類地行星非常罕見，那將意味著地球可能的確非常稀罕，是宇宙中的一個特例，而要探測更遙遠(yuǎn)類地行星的計劃，不但在技術(shù)上還存在很大的障礙，而且也需要花很長的時間。

無論“開普勒”發(fā)現(xiàn)了什么，都將會使得太陽系外行星探測進(jìn)入一個新紀(jì)元。