LeeBillings

二十年前，你可以用雙手和雙腳數(shù)出所有已知的行星。如今，你卻需要一個(gè)計(jì)算器和電子表格：成千上萬(wàn)繞著其他恒星轉(zhuǎn)的系外行星已經(jīng)填滿了我們的目錄。找到上萬(wàn)系外行星對(duì)天文學(xué)家來(lái)說(shuō)已經(jīng)不再是新鮮事了。

大多數(shù)的系外行星都是炎熱、荒涼、彼此之間很不相同的氣態(tài)巨行星，比如“熱木星”或者“溫暖亞海王星”。但也有些星球就像我們地球的超大版：由巖石組成、條件溫和的“超級(jí)地球”。僅有少數(shù)幾個(gè)與地球尺寸、質(zhì)量和軌道相似的星球。

我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)令人興奮的系外行星，都來(lái)自于美國(guó)宇航局尋找行星的開普勒計(jì)劃，但這一空間望遠(yuǎn)鏡觀察的對(duì)象往往過(guò)于暗淡和遙遠(yuǎn)，這對(duì)進(jìn)一步的研究造成了極大的困難。開普勒計(jì)劃的最新階段，即K2，正在尋找更近、更亮恒星周圍的行星。這一任務(wù)可能到2017年才會(huì)有進(jìn)一步發(fā)展，美國(guó)宇航局打算在這一年發(fā)射開普勒望遠(yuǎn)鏡的后繼者——凌日系外行星巡天測(cè)量衛(wèi)星。與開普勒類似，TESS會(huì)搜尋行星穿過(guò)恒星表面時(shí)留下的陰影。TESS可能會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)系外行星，其中可能有數(shù)百個(gè)是較小且由巖石組成的。而這些由巖石組成的較小行星中，又有少數(shù)一部分能從星光暗淡的“M矮星”中獲得足夠的星光，使其表面能有液態(tài)水。

也就是說(shuō)，TESS可以在附近找到少數(shù)適合居住的行星，甚至上面已經(jīng)有了生命。為了對(duì)其了解更多，天文學(xué)家將從遠(yuǎn)處探測(cè)各個(gè)星球的大氣層，并利用光譜儀尋找溫和的大氣特征，如水蒸氣和二氧化碳，或許還能通過(guò)細(xì)菌產(chǎn)生的甲烷以及植被光合作用產(chǎn)生的氧氣來(lái)發(fā)現(xiàn)潛在的生命跡象。

在21世紀(jì)20年代，一些配置30米或者更大直徑鏡頭的“極大望遠(yuǎn)鏡”可能會(huì)在地面對(duì)TESS和其他航天器發(fā)現(xiàn)的非常明亮、距離近且適合居住的星球進(jìn)行測(cè)量。但是研究者一致認(rèn)為，研究這些行星的生命跡象最好是在太空中完成，這樣可減少地球混雜大氣的干擾。

天文學(xué)家已經(jīng)把老化的哈勃和施皮策空間望遠(yuǎn)鏡的能力發(fā)揮到了極致，卻還只能粗略探測(cè)太空中大的、熱的、不適合居住的星球。而只有NASA耗資90億美元、預(yù)計(jì)2018年投入使用的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，有希望在任一時(shí)間跟進(jìn)TESS的重大發(fā)現(xiàn)——能實(shí)時(shí)向大眾和國(guó)會(huì)匯報(bào)最激動(dòng)人心的進(jìn)展。這對(duì)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的發(fā)起者來(lái)說(shuō)自然是至關(guān)重要的。

尋找生命，發(fā)現(xiàn)大氣

韋伯望遠(yuǎn)鏡配備低溫冷卻探測(cè)器和巨大的6.5米的鏡頭，因此在紅外波段有著很強(qiáng)的分辨率，能夠檢測(cè)一些TESS凌日行星的大氣層。當(dāng)一個(gè)行星正在凌日、處于恒星陰影處時(shí)，韋伯望遠(yuǎn)鏡可以嘗試通過(guò)收集穿過(guò)行星大氣層的恒星星光來(lái)獲得大氣成分和結(jié)構(gòu)的信息。韋伯望遠(yuǎn)鏡還可以通過(guò)觀察行星離開凌日位置的時(shí)候（如行星跑到恒星的后面、被恒星掩蔽的時(shí)候）恒星亮度的變化來(lái)估計(jì)星球表面的溫度。

韋伯在尋找離太陽(yáng)系外生命特征這一方面能起到多大的作用，很大程度上取決于運(yùn)氣。如果TESS沒(méi)有找到任何關(guān)于圍繞M矮星的超級(jí)地球的信息，韋伯望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行下一步觀測(cè)。韋伯望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的初衷是為了研究宇宙中第一代恒星，并不是宜居行星，并且其設(shè)備在天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到它可以研究潛在的系外行星之前就已經(jīng)設(shè)計(jì)好了。探索更大，更明亮，更類似太陽(yáng)的恒星周圍的類地行星將已經(jīng)超出韋伯望遠(yuǎn)鏡的要求，這類探索任務(wù)需要新穎的、充滿挑戰(zhàn)的光學(xué)技術(shù)，而這些技術(shù)已經(jīng)不能趕在發(fā)射前加入到望遠(yuǎn)鏡中了。

由于在M矮星周圍至少有一個(gè)潛在的可居住的超級(jí)地球，最安全的做法是僅僅用韋伯望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)這顆行星擁有大氣層。即使這個(gè)行星真的擁有大氣層，把它歸入“可能適合居住”的星球還遠(yuǎn)遠(yuǎn)為時(shí)過(guò)早。M矮星本身作為恒星，就為其行星的宜居性帶來(lái)了很多不確定性和有挑戰(zhàn)性：在該恒星宜居帶中的行星受到非常強(qiáng)大的恒星耀斑的擊打，此外，它的行星可能還是“潮汐鎖定”的，即始終保持一面朝向恒星。

爭(zhēng)分奪秒

對(duì)于韋伯望遠(yuǎn)鏡的委員會(huì)而言，如何分配韋伯望遠(yuǎn)鏡的使用時(shí)間將是一個(gè)讓人頭疼的任務(wù)，在2018年望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空前他們將對(duì)此進(jìn)行協(xié)商。但是韋伯望遠(yuǎn)鏡研究的行星中，不適宜居住的行星數(shù)量可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宜居星球的數(shù)量?！霸贛矮星周圍的行星許多都是熱木星這樣的情況下，我認(rèn)為韋伯望遠(yuǎn)鏡在某種意義上有大材小用之嫌，”高迪說(shuō)，“這就像用大錘去錘小釘子……實(shí)際上，你可以用較小的工具完成。但也有人會(huì)認(rèn)為，最好、最先進(jìn)、最昂貴的設(shè)備，應(yīng)該用在只有它能完成的任務(wù)上，盡管不一定是最適合的”——例如觀察超級(jí)地球。

根據(jù)ExoPAG，解決這一僵局的潛在方案是把韋伯望遠(yuǎn)鏡關(guān)于氣態(tài)巨行星的研究分配給另外一個(gè)空間任務(wù)。使用一個(gè)更小、更便宜的空間望遠(yuǎn)鏡專門研究數(shù)百顆熱木星和海王星的凌日時(shí)的大氣層。這一任務(wù)計(jì)劃于本世紀(jì)二十年代中期構(gòu)建和啟動(dòng)，那時(shí)韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)快要退休了。

天文學(xué)家近期已經(jīng)提出了這樣的任務(wù)，并獲得了些許結(jié)果。2013年美國(guó)宇航局通過(guò)了一項(xiàng)叫做快速紅外系外行星光譜探測(cè)的方案，可以用來(lái)支持TESS計(jì)劃。去年，歐洲航天局通過(guò)了一個(gè)類似開普勒的計(jì)劃，即行星凌日和恒星振蕩計(jì)劃，該任務(wù)將于2024年啟動(dòng)，用以代替用來(lái)測(cè)量氣態(tài)巨行星的EChO（系外行星表征觀測(cè)站）計(jì)劃?，F(xiàn)在，大家都開始意識(shí)到韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間有限這一殘酷的事實(shí)，雙方已經(jīng)在重新考慮他們的觀測(cè)機(jī)會(huì)。歐洲EChO項(xiàng)目組已提交了一份新方案，稱為ARIEL。美國(guó)FINESSE項(xiàng)目組聽說(shuō)也正緊鑼密鼓地準(zhǔn)備一項(xiàng)新方案。

“這些項(xiàng)目的部分任務(wù)是要尋找并研究離我們最近的‘表親’——另一個(gè)地球，并試圖發(fā)現(xiàn)上面存在的生命跡象，但是它們的另一個(gè)目標(biāo)，也是希望去理解整個(gè)行星家族?！瘪R克·斯溫說(shuō)道。他是一名系外行星大氣專家，也是美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室FINESSE項(xiàng)目組的領(lǐng)軍人物。“這些觀點(diǎn)迥異但或許殊途同歸，”斯溫補(bǔ)充道，“為了證明圍繞另一顆恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的類地行星上存在生命，我們必須了解它們大氣工作的原理，這需要把它放在行星大氣層的總體實(shí)際中去，所以我們需要大規(guī)模的觀測(cè)任務(wù)來(lái)提供這樣的背景信息?！?/p>