撰文 武延慶

地球是不是宇宙中的特例？為了回答這個(gè)問(wèn)題，中國(guó)即將開(kāi)展系外行星搜索。

從遠(yuǎn)古起，我們的祖先夜夜凝望天空，早就熟悉了星星和太陽(yáng)繞著地球運(yùn)轉(zhuǎn)的作息。可是五百年前哥白尼對(duì)世人說(shuō)，不對(duì)，不是太陽(yáng)繞著地球轉(zhuǎn)，而是地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。這之后，地球的神圣位置一降再降。再后來(lái)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)系只不過(guò)是偉大的銀河星系里一個(gè)平凡得不能再平凡的行星系，而銀河系又只是宇宙里一個(gè)平凡得不能再平凡的星系。這讓我們?nèi)祟?lèi)懷疑，自己在這個(gè)宇宙中是否獨(dú)特。地球上的生命和智慧，我們引以為傲的技術(shù)和進(jìn)展，在這個(gè)宇宙中是否只是一件尋常事情？外星智慧也許跟我們只有一“河”之隔？

這樣的想法只是一個(gè)設(shè)想。目前不僅外星智慧無(wú)影無(wú)蹤，就連著名的估算星際文明的德雷克公式，我們也只對(duì)前兩項(xiàng)有所了解：銀河系內(nèi)恒星的數(shù)目和恒星中擁有行星的比例。迄今為止，我們對(duì)德雷克公式中的第三項(xiàng)，即宜居區(qū)內(nèi)的類(lèi)地行星在行星中的比例（所謂的η 地球）了無(wú)所知。德雷克公式后面的幾項(xiàng)，都跟生命有關(guān)，還沒(méi)有參透生命奧秘的我們更無(wú)從談起。

以現(xiàn)在的技術(shù)，我們有望在幾年內(nèi)找到地球2.0（一些與地球大小相似、軌道相似、主恒星相似的行星）并測(cè)量η 地球。更讓人興奮的是，中國(guó)的空間技術(shù)，或?qū)椭祟?lèi)找到這個(gè)答案。

德雷克公式

地球2.0與生命的偶然？

生命在地球上出現(xiàn)，然后逐漸產(chǎn)生智慧，說(shuō)起來(lái)好像順理成章，可是哲學(xué)卻告訴我們：存在是合理的，但不一定是必然的?，F(xiàn)在的科學(xué)研究讓我們認(rèn)識(shí)到，地球生命的產(chǎn)生，或許只是一些偶然事件積累的結(jié)果。

我們不妨先看看地球的軌道。地球離太陽(yáng)的距離不遠(yuǎn)不近，正好處在恒星宜居帶中。假如地球離太陽(yáng)比現(xiàn)在再近一點(diǎn)，地表溫度略高，溫室效應(yīng)強(qiáng)烈導(dǎo)致大氣里的水汽越聚越多，溫度不斷升高，那么地球會(huì)走上金星的不歸路：地表變得無(wú)比炎熱。假如地球離太陽(yáng)比現(xiàn)在稍遠(yuǎn)一點(diǎn)，地球的表面溫度將會(huì)下降到零度以下。水汽凝結(jié)成冰，冰封大地，太陽(yáng)光都被冰反射回外太空，那么地球會(huì)變得像火星那樣，一年四季冰洋不化。

地球的質(zhì)量不大也不小，恰到好處。假如地球質(zhì)量再大一點(diǎn)，地球上的山就不會(huì)像現(xiàn)在這么高（因?yàn)楦鼜?qiáng)的重力會(huì)讓高山更容易被自己壓垮），留給生物的垂直生態(tài)位空間會(huì)比現(xiàn)在更小，生物多樣性也不會(huì)像現(xiàn)在這么豐富。同時(shí)，重力增大會(huì)導(dǎo)致化學(xué)火箭難以發(fā)射衛(wèi)星。除非用原子能，否則航空航天將無(wú)從發(fā)展，天文學(xué)也只能停留在地表。假設(shè)地球的質(zhì)量小了一點(diǎn)，重力減小了，大氣里的水分子就又容易被太陽(yáng)風(fēng)刮走。我們的大氣日漸稀薄，環(huán)境會(huì)變得像火星一樣惡劣。

地球的大氣層和海洋，也被調(diào)節(jié)得非常完美。大氣里的二氧化碳濃度如果太高了，全球會(huì)變得比阿拉伯酋長(zhǎng)國(guó)的沙漠還熱；濃度如果太低了，地球又會(huì)變成一個(gè)冰封萬(wàn)里的白色星球；地球的大氣，如果不是由透明的氮?dú)夂脱鯕饨M成，太陽(yáng)光穿越不到地表，也就不會(huì)有光合作用。海洋占地球表面面積的70%，生命在海洋里順利演化成功，才登上陸地?？扇绻Ｑ筇?，沒(méi)有了陸地，也就沒(méi)有了生火做飯的木材，人類(lèi)智力的進(jìn)化會(huì)遲滯許多，蒸汽機(jī)和集成電路這類(lèi)技術(shù)可能永遠(yuǎn)不會(huì)誕生……

締造出人類(lèi)智慧的這些偶然事件，在系外行星上是否會(huì)再次出現(xiàn)？沒(méi)有人知道。但是如果我們能找到第二個(gè)地球，科學(xué)驗(yàn)證就成了可能。受現(xiàn)在的技術(shù)限制，我們尚不能找到與地球一模一樣的行星。因此，我們只能退一步，轉(zhuǎn)而尋找與地球類(lèi)似的“地球2.0”。在所有的系外行星中，“地球2.0”的環(huán)境最有可能孕育生命。

開(kāi)普勒計(jì)劃：2009—2013

就算不那么了解天文學(xué)的人可能也知道，尋找系外行星不是一件新鮮事。我們現(xiàn)在已確認(rèn)了4 千多個(gè)系外行星?？墒?，這里面居然沒(méi)有一個(gè)長(zhǎng)得像地球！

這個(gè)故事還要從1995 年講起。這一年，瑞士科學(xué)家麥耶和奎洛茲用法國(guó)南部的一個(gè)2 米的小口徑望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了第一個(gè)系外行星，這個(gè)發(fā)現(xiàn)一經(jīng)發(fā)布就馬上得到其他科學(xué)家的確認(rèn)。2019 年，麥耶和奎洛茲因發(fā)現(xiàn)系外行星榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

截至目前，地面望遠(yuǎn)鏡已找到了近千個(gè)系外行星，其中大多是通過(guò)徑向速度法找到的（麥耶和奎洛茲采用的方法），具體方法是觀測(cè)恒星在行星的引力下產(chǎn)生的微弱的來(lái)回?fù)u擺。不過(guò)，這種方法只能找到與木星一樣質(zhì)量龐大的行星，離我們要找的“地球2.0”相差甚遠(yuǎn)。

幸好，這不是人類(lèi)唯一的“魔法”。早在1984 年，當(dāng)我們對(duì)系外行星還一無(wú)所知時(shí)，時(shí)任美國(guó)宇航局工程師的博魯茨基就已經(jīng)先知先覺(jué)地在籌劃另一種尋找辦法了。他的想法很簡(jiǎn)單：每當(dāng)金星凌日（太陽(yáng)—金星—地球三者位于同一直線上)，金星把太陽(yáng)的極小一部分擋住，從地球上觀測(cè)到的太陽(yáng)亮度就會(huì)就會(huì)減弱一些。同理，一個(gè)位置合適（而且必須足夠聰明）的外星人也可以通過(guò)觀測(cè)地球凌日，來(lái)發(fā)現(xiàn)我們的地球。當(dāng)然，凌星事件發(fā)生的概率較小，要找到“地球2.0”，必須要觀測(cè)大量的恒星，并且要不眨眼地凝視很長(zhǎng)的時(shí)間（甚至是幾年）。另外，我們的測(cè)光儀器要足夠精確：地球凌日時(shí)，地球只遮住了太陽(yáng)光盤(pán)的萬(wàn)分之一，其造成的亮度差異是很小的。所以雖然這個(gè)辦法很容易實(shí)施，美國(guó)宇航局卻不買(mǎi)賬。從1992 年博魯茨基第一次提議，這個(gè)項(xiàng)目連續(xù)五次都被美國(guó)宇航局以技術(shù)不夠成熟的理由拒絕。幸虧博魯茨基不僅先知先覺(jué)，更有超過(guò)凡人的毅力。他不泄氣，耐著性子在地面上發(fā)展探測(cè)器和探測(cè)技術(shù)，克服一個(gè)個(gè)技術(shù)難關(guān)，最終說(shuō)服美國(guó)宇航局，在2009 年把探測(cè)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到了太空，這就是美國(guó)宇航局的開(kāi)普勒計(jì)劃。

探測(cè)系外行星的辦法

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡打開(kāi)了觀察宇宙的一個(gè)大窗口，幾年之內(nèi)它單槍匹馬，發(fā)現(xiàn)了近三千個(gè)系外行星，不僅讓人類(lèi)所知的地外行星數(shù)增長(zhǎng)了好幾倍，而且，更重要的是，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡使人類(lèi)大開(kāi)眼界，顛覆了我們對(duì)系外行星世界的認(rèn)識(shí)。

傳統(tǒng)的徑向速度法告訴我們的大都是些巨型行星（類(lèi)似于木星和土星，但也有些例外），而開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡揭示了宇宙內(nèi)一類(lèi)前所未知但又極其普遍的行星種群（超級(jí)地球和亞海王星）。這些沒(méi)有那么大的行星繞著銀河系中大約三分之一的恒星近距離運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)量也是巨行星的四倍。最讓科學(xué)家們激動(dòng)的是，這些小型行星的大小與地球相差不大。

開(kāi)普勒計(jì)劃成就了整個(gè)行星科學(xué)領(lǐng)域輝煌的十年?？稍谶@些輝煌中，又藏了一個(gè)巨大的遺憾。開(kāi)普勒計(jì)劃的初衷，是尋找像地球一樣的行星。可是它找到的幾千個(gè)行星里，居然沒(méi)有一個(gè)長(zhǎng)得像地球！

有人問(wèn)，你怎么知道那些行星長(zhǎng)得和地球像不像？

其實(shí)，不管是徑向速度技術(shù)探測(cè)到的巨型行星，還是開(kāi)普勒任務(wù)發(fā)現(xiàn)的亞海王星，它們都可被稱為“一代行星”（太陽(yáng)系的土星，木星，天王星和海王星就是例子）。它們的表面籠罩著厚厚的氫氣，表明它們是在恒星生命早期形成的。這時(shí)，恒星周?chē)€環(huán)繞著一個(gè)氫氣盤(pán)，這些氫氣是造星工程的廢棄材料。就連那種被叫作超級(jí)地球的，雖然它們擁有固態(tài)的地表，現(xiàn)在理論認(rèn)為它們其實(shí)也是亞海王星，只不過(guò)因?yàn)樘拷骱阈?，被恒星?qiáng)烈的X 射線剝掉了其與生俱來(lái)的氫氣大氣，留下一個(gè)裸露的固態(tài)行星核。相比之下，地球和它的小伙伴行星應(yīng)該被稱作“二代行星”。它們可能是氫氣盤(pán)消失后,由不知道哪來(lái)的殘?jiān)槠鲎簿蹟n而成。

關(guān)于開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的一些數(shù)字

目前探測(cè)到的系外行星

一代行星不太可能孕育生命。假設(shè)你來(lái)到這樣一個(gè)行星上，你會(huì)慢慢地隨風(fēng)（厚厚的氫氣）飄落到一個(gè)軟塌塌的地面——?dú)錃獾臏厥倚?yīng)使行星溫度保持在幾千攝氏度之高，足以熔化鋼鐵，這些一代行星的內(nèi)核也被熔化。就算是那些超級(jí)地球也好不到哪兒去，它們距離主恒星太近，其巖石地表就算沒(méi)有被熔化成熔漿,也離熔化不遠(yuǎn)了。反而，正如我們?cè)诘厍蛏弦?jiàn)證的那樣，二代行星的環(huán)境對(duì)生命形成和演化更友好。它們的地下和大氣可能包含碳、氧、氮等生命所需的元素，它們的大氣層可能相對(duì)較薄，可以產(chǎn)生合適的溫室效應(yīng)。

更為遺憾的是，開(kāi)普勒計(jì)劃不僅沒(méi)有找到地球2.0，連二代行星好像都沒(méi)有找到幾個(gè)。難道是太陽(yáng)系里出了什么意外，才誕生了地球這種異類(lèi)？

對(duì)于開(kāi)普勒計(jì)劃的失敗，一個(gè)可能的解釋是：在宇宙里，地球真的是孤獨(dú)的。但是，現(xiàn)在還不是放棄探索的時(shí)候。開(kāi)普勒計(jì)劃的失敗還有另外幾個(gè)原因，足以讓我們堅(jiān)持找下去。

第一，恒星不“恒”。恒星表面氣候復(fù)雜多變，它們的亮度也不停變化。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡上天后，得到了一個(gè)令人不悅的發(fā)現(xiàn)：恒星的閃爍不定，比我們的預(yù)想糟糕多了。在這嘈雜的變化下，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡難以捕捉到不及恒星亮度萬(wàn)分之一的微弱變化。

第二，廠家質(zhì)量把關(guān)不夠。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行4 年之后，兩個(gè)反作用轉(zhuǎn)動(dòng)輪連續(xù)失靈，這臺(tái)天價(jià)望遠(yuǎn)鏡因此無(wú)法調(diào)整方向，無(wú)法繼續(xù)觀測(cè)系外行星，這不能不說(shuō)是一大遺憾。但是，在開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡所凝視的幾萬(wàn)顆恒星里，很可能已經(jīng)有了“地球2.0”的蹤跡，只不過(guò)它們產(chǎn)生的凌星效應(yīng)太弱，被埋藏在恒星信號(hào)的噪聲里，無(wú)法解讀。而開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的英年早逝，又使得科學(xué)家與“地球2.0”失之交臂。這個(gè)遺憾，人類(lèi)能否彌補(bǔ)？

太空望遠(yuǎn)鏡如何尋找系外行星

“地球2.0”與中國(guó)空間計(jì)劃

2019 年12 月3 日，一場(chǎng)答辯會(huì)正在中國(guó)空間中心緊張地進(jìn)行。上海天文臺(tái)和南京紫金山天文臺(tái)各提出了一個(gè)尋找“地球2.0”的空間探測(cè)計(jì)劃，評(píng)委們正在聽(tīng)取報(bào)告，頻頻發(fā)問(wèn)，裁斷孰勝孰負(fù)。

上海天文臺(tái)的ET 計(jì)劃

上海天文臺(tái)的計(jì)劃簡(jiǎn)稱為ET（Earth Two，意為“地球2 號(hào)”），是建造并發(fā)射一臺(tái)由7 個(gè)中等大小的廣角望遠(yuǎn)鏡組成的空間望遠(yuǎn)鏡。這些望遠(yuǎn)鏡會(huì)瞄準(zhǔn)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)過(guò)的幾個(gè)天區(qū)以及附近天區(qū)，持續(xù)4 年監(jiān)測(cè)二十多萬(wàn)個(gè)亮星，以捕抓到行星凌星時(shí)產(chǎn)生的微弱信號(hào)。目前猜測(cè)每十個(gè)類(lèi)太陽(yáng)恒星中大約有一個(gè)地球2.0（也就是η 地球約為10%）。如果對(duì)的話，ET 就能在4 年內(nèi)找到十幾個(gè)地球2.0。除此之外，ET 還能找到近千個(gè)宜居帶外的類(lèi)地行星，對(duì)這些二代行星進(jìn)行第一次“行星普查”。

開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)的類(lèi)地球行星（模擬圖）

除此之外，ET 可以找到成千上萬(wàn)個(gè)不同種類(lèi)的系外行星，包括地球的遠(yuǎn)親近戚。ET 雖然比開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡體積小、造價(jià)低，但是它的科學(xué)產(chǎn)出預(yù)計(jì)能與開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡媲美。中國(guó)天文學(xué)家們還相信，這個(gè)計(jì)劃甚至比歐空局正在建造的PLATO 飛船更有把握發(fā)現(xiàn)地球2.0。

為何指望一個(gè)比開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡更小的望遠(yuǎn)鏡，在短短四年時(shí)間里完成開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡未竟的事業(yè)？除開(kāi)這十年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步外，還可以這么解釋?zhuān)涸O(shè)想你在一個(gè)嘈雜的酒吧里跟人聊天，你的聲音太小，對(duì)方聽(tīng)不見(jiàn)，你得說(shuō)多幾次才有效果。我們要尋找的地球2.0，其實(shí)可能已經(jīng)在開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡浩繁的探測(cè)數(shù)據(jù)里有了蹤跡，我們可能只需要再認(rèn)真聽(tīng)?zhēng)状?，就可以找到它?/p>

紫金山臺(tái)的衛(wèi)星計(jì)劃更是獨(dú)辟蹊徑。這個(gè)大膽的計(jì)劃主張發(fā)展另外一種尋找行星的技術(shù)，叫作“天測(cè)”：觀測(cè)恒星在行星引力的作用下在星空上的微妙舞步。要探測(cè)到地球，這個(gè)技術(shù)需要達(dá)到一個(gè)前所未有的精度：毫角秒——這相當(dāng)于分辨出兩根并排放在月亮上的牙簽。但是，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)確實(shí)值得科學(xué)家們下大力氣攻關(guān)。

尋覓地球2.0 的過(guò)程極大地挑戰(zhàn)了人類(lèi)的創(chuàng)造力。而上海天文臺(tái)和南京紫金山天文臺(tái)的兩個(gè)計(jì)劃互補(bǔ)互助，從不同方向，用不同步驟沖刺。地球是否孤獨(dú)的命題，很有可能由中國(guó)空間科學(xué)家驕傲地解答出來(lái)。

找到地球2.0，可不是指望移民到那兒。這些充滿異星情調(diào)的世界，動(dòng)輒離我們幾十光年甚至上百光年。不過(guò)，地球人類(lèi)正在建設(shè)各種空間和地面的巨大望遠(yuǎn)鏡，準(zhǔn)備耐心地盯著這些行星（特別是那些凌星的類(lèi)地球），遠(yuǎn)距離勘測(cè)它們是否孕育生命。接下來(lái)的好戲?qū)⒏泳剩?/p>