播客：不久前，科學家們證實了太陽并非獨一無二 —— 其他恒星也擁有自己的行星。這是一項歷經(jīng)幾個世紀的發(fā)現(xiàn)，而它又會對如今的地球和我們在宇宙中的位置意味著什么呢？
家園意味著什么？是什么讓它變得特別？仰望星空能告訴我們關(guān)于腳下這片土地的什么秘密？
還未走出太陽系
我們的世界 —— 地球 —— 對我們來說意味著一切。它的大小、到太陽的距離和太陽本身都恰到好處地能夠形成液態(tài)水，孕育像我們這樣的生命。然而，近幾十年，甚至近幾個世紀以來，科學家和哲學家們都在仰望星空，詢問著自己同樣的問題：地球究竟有多么特別？這些是否特性很罕見，甚至獨一無二？或者說，在浩瀚的宇宙中，這樣的星球其實并不稀有？
在過去的幾十年里，我們一直在探索我們在宇宙中的位置。在每一次轉(zhuǎn)折中，研究人員都會發(fā)現(xiàn)新的驚喜。
杰克-利索爾：" 對于行星探索，有一個總的主題，那就是多樣性。當我們觀察時，一切都比預想的更加多樣化 "。
這是美國宇航局艾姆斯研究中心的太空科學家杰克-利索爾。他親眼目睹了研究人員是如何發(fā)現(xiàn)這些細節(jié)和多樣性的。你看，如果我們把時間退回到 50 年前，那時候已知行星的數(shù)量和過去的幾個世紀相比其實并沒有太大的變化。
太陽系中的行星分為三類：氣態(tài)巨行星（木星和土星）、冰態(tài)巨行星（天王星和海王星）以及巖質(zhì)行星（水星、金星、火星，當然還有地球）。
“其中一個最引人入勝的問題是，地球是否是獨一無二的，或者它只是陸地行星系列中的一員，以某種方式填補了金星和火星之間的空白。”
這是 1971 年發(fā)表在《天文學和天體物理學年度評論》上的一篇題為《火星和金星的大氣層》的評論中的一段話。地球與它的兩個鄰居到底有多大的不同，以及為什么不同，這在當時是一個非常開放的問題。
杰克-利索爾："我認為，在 20 世紀中葉，仍然有人認為火星可能非常像地球。這個觀點在 20 世紀初非常流行。"
隨著時間的推移，我們對太陽系中的行星進行了更詳細的研究。20 世紀 70 年代，蘇聯(lián)和美國的大量登陸器爭相登陸我們的鄰居金星和火星。1977 年發(fā)射的旅行者號探測器訪問了太陽系的四顆外行星。每一次任務都為太陽系的拼圖提供了更多的碎片，揭示了行星是由什么構(gòu)成的，它們有多像和不像，以及它們 —— 乃至整個太陽系 —— 是如何和何時形成的。
荷蘭萊頓大學（Leiden University）的天體物理學家埃文?范?迪肖克（Ewine van Dishoeck）是 Annual Review of Astronomy and Astrophysics（《天文學和天體物理學年度評論》）的聯(lián)合編輯。她見證了我們對火星、金星和地球的認識是如何隨著時間的推移而演變的：
埃文?范?迪肖克: “也許它們的誕生方式非常相似，但我們了解到 —— 在之后的 45 億年中，它們的演變方式大相徑庭。這就是地球現(xiàn)在是宇宙中獨一無二星球的原因。金星和火星可能一開始有相近的含水量，但它們的演化卻截然不同?！?/p>
這樣說來，地球可能并沒那么特別：其他行星可能也一開始就有水存在，我們的行星 —— 地球，只是因為與太陽的距離特殊，恰逢其他一些關(guān)鍵因素，因此稍微幸運了一些。但實際上，有一些非常重要的因素使得地球與眾不同。
保羅?巴特勒: “當然，關(guān)于地球最特別的一點是它孕育了我們 —— 生命?！?/p>
保羅?巴特勒，是卡內(nèi)基科學研究所的一員。在 20 世紀 70 年代，地球既普通又特殊，普通在它只是另一個類地行星；特殊點在于 —— 它是我們所知的宇宙中唯一的生命之家。但是這一觀點有一個重要的限制。幾十年前，我們只知道一個被行星環(huán)繞的恒星 —— 太陽。這意味著，正如 1971 年的一篇評論所解釋的那樣：
“在宇宙中可能存在的所有行星中，只有九顆被人類研究過?！?/p>
但是，在宇宙的背景下討論地球是否特殊并不能僅僅局限于地球在太陽系中的位置。人們正在進行一項任務，即：探索其他恒星是否真的擁有自己的行星，以及分析這些行星的特點。
埃文?范?迪肖克: “我想，當時肯定有很多關(guān)于其他行星系統(tǒng)的猜測。現(xiàn)在是否有像地球那樣獨特的行星是頗有價值的問題，兩種觀點都曾有人提出過?！?/p>
事實上，早在幾百年前就有人提出在太陽系之外存在行星這個觀點。1584 年，意大利哲學家喬爾達諾?布魯諾就認為：
宇宙中存在無數(shù)個太陽，圍繞這些太陽運轉(zhuǎn)著無限多的地球，就像我們能看到的七顆行星圍繞著我們附近的太陽運轉(zhuǎn)一樣。
系外行星
哥白尼的異端觀點可能導致了他在 16 年后被處決。300 年后的 18 世紀和 19 世紀，人們似乎一個接一個地“發(fā)現(xiàn)”了外行星。例如，早在 1855 年，就有人通過觀察到一對相互圍繞的恒星的運動異常來推測存在系外行星。
20 世紀，關(guān)于新行星的報道增加了，但是隨即又出現(xiàn)了一個問題。
杰克?利索爾（Jack Lissauer）：“在 60 年代和 80 年代初，有關(guān)首次發(fā)現(xiàn)系外行星的新聞登上了頭條。這些新聞都聲稱他們報道的行星是人類首次發(fā)現(xiàn)的系外行星，但是他們都聲稱自己是首次發(fā)現(xiàn)一定是不對的。”
實際上，隨著更多證據(jù)的出現(xiàn)，幾乎所有這些報道的“首次發(fā)現(xiàn)”都被證偽了。
像我們剛認識的杰克?利索爾這樣的一些研究人員，并不想一直等待直到一個被證實的發(fā)現(xiàn)最終出現(xiàn)。相反，他們致力于提出理論來展示可能存在的情況。在他 1993 年發(fā)表的一篇名為“行星形成”的綜述中，杰克指出：
“我們只對一個行星系統(tǒng)有著確切的了解 —— 那就是我們所生活的太陽系。所以，目前來說，理論模型為我們提供了最佳的手段來估測我們所在的銀河系中行星系統(tǒng)的豐富度和多樣性......”
當然，只有一個太陽系和一些關(guān)于年輕恒星周圍物質(zhì)盤的證據(jù)，這樣的研究充滿了推測?，F(xiàn)在回頭看，杰克發(fā)現(xiàn)研究工作的局限性。
杰克?利索爾：“如果人們做出了詳細的預測，結(jié)果往往不盡如人意，但總的來說，我們基本上還是朝對的方向努力的?！?/p>
與此同時，保羅則對早期關(guān)于形成我們太陽系之外行星的理論工作的評價毫不客氣。
保羅?巴特勒：“每個行星形成的理論都有一個共同點，那就是它們都差得離譜，簡直毫不相干。我們當時被局限困住了?！?/p>
但是在 1993 年，這些模型無從驗證。人們希望能通過實際觀察其他行星系統(tǒng)來“最終”獲得更多的限制條件。
“最終”這個詞在那個時候聽起來似乎還遙不可及。畢竟，要觀測到外行星，需要許多技術(shù)上的突破。天文學家需要靈敏的光譜學技術(shù)來探測恒星微小的運動，這樣才能顯示出有行星的引力在影響它的運動。同時，他們還需要強大的計算能力和存儲空間來處理這些數(shù)據(jù)。
第一個系外行星的發(fā)現(xiàn)
兩年后，到 1995 年，有一個宣布發(fā)現(xiàn)了第一個類似太陽的恒星周圍的外行星。這顆奇異的候選行星的特征又是很古怪 —— 它似乎質(zhì)量接近木星，但不同于距離太陽很遠的木星，這顆星在近距離圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)，大約四天繞行一周。
保羅?巴特勒：“大多數(shù)人都認為那是錯誤的，因為首先，直到那時所有宣稱找到系外行星的聲明都是假的。其次，所有人都知道在每四天為一周期的軌道上不可能有一顆像木星那樣的行星，這種想法非?；奶?。當時我們在接下來的一周恰巧有四晚能夠在望遠鏡上進行觀測。我們帶著懷疑的態(tài)度過去，認為不可能看到結(jié)果。在那四天結(jié)束后，我們對著結(jié)果感到震驚，那些數(shù)據(jù)完全正確。這樣的事情真的存在，它具有一個四天周期的軌道，他們真的完成了一項壯舉。這個消息很快傳遍了全世界。在隨后的三四天里，我們的電話響個不停?！都~約時報》《華盛頓郵報》，還有各種科學雜志都在不停地聯(lián)系我們?！?/p>
來自媒體鋪天蓋地的報道壓的令人喘不過氣來。但是這也可以理解，因為這是人類第一次對另一個地外星系的報道。1995 年 10 月 20 號《紐約時報》這樣進行報道：
如果這些發(fā)現(xiàn)得到了進一步的研究證實，那么這些發(fā)現(xiàn)將會產(chǎn)生深遠的哲學上和科學上的影響。人們對于太陽系是獨一無二的存在這一種認識將會不攻自破，并且存在其他地外星系的可能性意味著宇宙內(nèi)更有可能存在其它外星生命 —— 也許是智慧生命。
但是并非所有人都是如此的興奮。事實上，埃文記得當時學術(shù)界對這個實驗的反應完全不同。
埃文?范?迪肖克：當然，這完全在情理之中。當然，它奇怪的軌道讓這顆行星的成分和結(jié)構(gòu)令人驚訝。但是我認為所有人都在等待這一個結(jié)果。某種程度上來說，人們對系外行星的探索有太多的負面結(jié)果，就好像是“這是怎么了？出了什么問題？我們到底哪里出現(xiàn)了錯誤？為什么我們看不到這些系外行星？”現(xiàn)在的這一實驗結(jié)果讓我們?nèi)玑屩刎摚覀兘K于找到這些系外行星了。
不管是如釋重負還是啟示之錄，這是第一次人類得以窺見系外行星，也得以明白宇宙的其他行星和我們身邊的太陽系中的其他行星是存在如此巨大的差異。雖然一些行星科學家已經(jīng)考慮過如此巨大的行星在如此接近其恒星的軌道上運行的可能性，但這肯定不是尋找地外行星的重點。
杰克?利索爾：這也是為什么發(fā)現(xiàn)這個地外星系花了科學家們?nèi)绱碎L的時間，因為科學家們正在尋找與我們的太陽系更相似的東西。也許是更近一點的“木星”，或者質(zhì)量更大一點，或者類似的東西。
在接下來的這幾個月里，更多這些所謂的“熱木星”被科學家們所發(fā)現(xiàn)，這表明這種看似非凡的行星實際上是多么普遍。保羅 —— 我們剛才聽到他描述了他對第一顆系外行星的驗證 —— 發(fā)現(xiàn)了下一顆系外行星。1998 年，他在《天文學和天體物理學年度評論》上合作發(fā)表了一篇評論，詳細介紹了首批被發(fā)現(xiàn)的八顆行星。這篇題為《太陽系外巨行星的探測》的綜述也詳細回憶了這項研究的歷程。
2000 年來，科學家們同時都提出了支持和反對系外行星是否存在的前沿的科學觀點。
這篇綜述這樣寫道：
迄今為止發(fā)現(xiàn)的木星質(zhì)量伴星的大偏心率和小軌道驗證了哥白尼的理論。
也就是說，這些巨型行星以及它們所運轉(zhuǎn)的微小軌道進一步完善了哥白尼的宇宙模型：也就是說，地球既不是宇宙的中心，也非宇宙的典型形象。
更多的系外行星
但是研究未盡于此。畢竟，目前為止發(fā)現(xiàn)的所有行星都讓人想起太陽系中最大的行星：木星 —— 一顆巨型的氣態(tài)行星。所以，目前的問題是：天文學家能追蹤到另一顆類似地球的系外行星嗎？在保羅詳細介紹前八顆系外行星發(fā)現(xiàn)的同一期的另一篇文章中，這篇題為“天文搜索類地行星和生命跡象”的綜述詳細介紹了目前科學家們還有多少工作要做：
對于探測系外行星，人類所需要的技術(shù)進步空間還非常大，即使是探測離太陽系最近的系外星系中的類地行星...... 人類需要能夠探測并處理極端的對比度和動態(tài)范圍的能力。
這項研究要求數(shù)年的工作、新的望遠鏡、新的工具和技術(shù)。但是即便在 1998 年，這些目標仍然猶在天邊。
我們生活在一個幸運的時代，我們的深空探測技術(shù)強大到足以支撐起過去幾個時代的科學家們所夢寐以求的目標，找到系外類地行星和地外生命。
隨著技術(shù)的發(fā)展和時代的進步，天文學家更有能力發(fā)現(xiàn)系外類太陽系星系了。第一顆系外行星是天文學家們通過觀察行星的主星擺動發(fā)現(xiàn)的，這一現(xiàn)象也揭示了行星的微小引力拖曳。但與此同時，越來越多的天文學家報道了行星在穿過恒星前方時，恒星的光線略微變暗的現(xiàn)象。這些方法的結(jié)合使科學家在 2009 年報道了第一顆可能為巖石行星的發(fā)現(xiàn)。同年，一個專門為尋找系外行星的衛(wèi)星發(fā)射升空。這架開普勒太空望遠鏡的運行使天文學家們能夠以前所未有的頻率觀測恒星的亮度。
杰克?利索爾：我們發(fā)展出了一片新的學科領(lǐng)域，并且這門學科領(lǐng)域從 1995 年的一無所有發(fā)展成為天文學的幾大主要內(nèi)容之一。沒有人能夠預測到這個領(lǐng)域能夠以如此迅速的速度成長為如今的規(guī)模。
伴隨著眾多新發(fā)現(xiàn)的系外行星，科學家們也發(fā)現(xiàn)越來越多意料之外的星系。例如，具有極致偏心軌道的行星，這種行星與我們地球近乎圓形的行星軌跡截然不同。亦或是，圍繞兩顆恒星而非一顆恒星運行的行星。還有，那些在大小上讓人聯(lián)想到地球的行星，但這些行星的軌道距離更近，或者圍繞在更小的恒星周圍運行。
埃文?范?迪肖克：如果回看我們發(fā)現(xiàn)系外行星的發(fā)現(xiàn)歷史，我認為我們?nèi)狈σ稽c點想象力。我認為我們現(xiàn)在知道了宇宙還有很多其他各式各樣我們難以想象的星系。以及其他各種各樣行星。
保羅 —— 一位參與了發(fā)現(xiàn)數(shù)以千計的星球的天文學家 —— 樂于發(fā)現(xiàn)所有的這些驚喜。
保羅?巴特勒：這個過程的有趣之處在于，理論家們的每一步都錯了。在發(fā)現(xiàn)新行星的每一個過程中，觀測的結(jié)果都讓理論家們發(fā)瘋了。不過作為一個觀測者，這基本上是最好的結(jié)果。
天文學家們一直在尋求盡可能多地了解這些行星。目前科學家們預測系外行星的大小和質(zhì)量的研究并不少見。但鑒于離太陽系最近的系外行星與地球之間的距離大約是地球和火星之間距離的 70 萬倍，因此系外行星的其他細節(jié)很難被觀測到。但是，天文學家發(fā)現(xiàn)了這些行星的有趣特征。這些特征包括從行星的火山活動到軌道衛(wèi)星。天文學家們將人類能收集到的少量信息拼湊在一起，可以幫助天文學家回答最有趣的問題之一：這些系外行星中是否存在生命。
保羅?巴特勒：除非外星人對人類異常善良，并且向人類發(fā)送出他們的電視節(jié)目或是大英百科全書的內(nèi)容或是隨便什么廣播的內(nèi)容，否則人類是不會輕易接觸到地外生命的。
目前未知我們還沒有捕獲到這樣的電磁波信號，盡管我們?nèi)匀辉诳嗫嘧穼ぶ鼈?。為了更進一步主動地尋找到地外生命，系外行星天文學家正在尋找他們所希望的最佳證據(jù)：系外行星的大氣層。
系外行星的大氣層是唯一能夠預示著星球是否能夠孕育生命或可能宜居的唯一線索。同時，星球的大氣環(huán)境是我們觀測星球溫度、宜居程度、以及生物特征氣體的窗口。
這段話引用自 2010 年的一篇綜述文章，文章標題就是簡單的“系外行星大氣層”。這篇文章發(fā)表在《天文學和天體物理學年度評論》上。
“熱木星”的研究占據(jù)了大氣科學研究的絕大部分......
盡管這些“熱木星”并沒有孕育生命的可能性，這些文章同樣在探索怎樣的大氣環(huán)境能夠更有可能存在地外生命。文章詳細分析了地球大氣環(huán)境中對孕育生命有利的因素，天文學家們正希望在系外行星中尋找這些利于生命孕育的大氣層。
目前，天文學家們?nèi)匀恢荒艹醪椒治龃_認他們已經(jīng)觀測到的巖類行星的大氣層。許多人寄希望于新一代的望遠鏡來打開觀察這些遙遠世界的窗戶。
埃文?范?迪肖克：我認為對行星大氣層的研究一定是尋找系外行星的下一個熱點?，F(xiàn)在我們能夠在統(tǒng)計上探明了這些行星的數(shù)量和行星的種類。但是，現(xiàn)在我們非常需要對這些行星進行進一步觀測，此外，這些大氣在提供行星是否宜居的信息的同時也提供了關(guān)于行星形成的信息。
自從第一顆系外行星被發(fā)現(xiàn)以來的二十五年里，這個領(lǐng)域得到了飛速發(fā)展。隨著越來越多的新行星的發(fā)現(xiàn)以及更為細節(jié)信息的獲取，現(xiàn)在科學家們似乎對第一個問題有了非常明確的答案：地球有多特別？或是，你認為地球有多特別？
埃文?范?迪肖克：地球有多特別或是獨一無二，仍然是一個未解之謎。我們當然明白宇宙中肯定存在其他的類地行星，我們同樣明白宇宙中的這些類地行星所處在的軌道位置正好適合液態(tài)水的存在。但是我不認為當我們面對的是類似于太陽的其它恒星時，我們能夠得到確切的答案。
杰克?利索爾：人類難以得到這些結(jié)果的原因是，這些行星極難被發(fā)現(xiàn)。如果我們需要估計類地行星的大小和軌道周期有哪些共同之處，我們必須根據(jù)我們擁有的數(shù)據(jù)進行推斷。
對圍繞恒星運轉(zhuǎn)系外行星的尺寸和軌道的形似之處進行推斷依賴于科學的假設。并且，考慮到系外行星的行為經(jīng)常無法被研究人員準確預計，這些假設也可能是錯誤的，或者是錯位的。新技術(shù)的發(fā)展對發(fā)現(xiàn)新行星及行星的隱性特征至關(guān)重要，也對揭示地球到底有多獨特至關(guān)重要。
埃文?范?迪肖克：我認為我們在研究其他行星所取得的成果也只是冰山的一腳。因此，所有這些問題現(xiàn)在都到了我們實際上擁有技術(shù)才能開始回答它們的階段。這還需要相當長的時間，可能還需要幾十年的時間，我們才能回答一部分問題。但至少我們是擁有能夠研究這些問題所需要的技術(shù)的第一代科學家們，因此我們可以開始回答其中一些非?；镜膯栴}。
同時，正當我們已經(jīng)在過去的半個多世紀里走過了相當長的歷程 —— 來研究系外行星、我們的鄰居行星以及太陽系 —— 這些問題所涉及的維度也變得非常廣。
杰克?利索爾：我們目前對系外行星的了解不甚于我們在 50 年前對于我們太陽系內(nèi)行星的了解。
盡管目前在研究行星的過程中仍然存在許多還未完成的任務，但是對于保羅而言，目前下一個研究目標已經(jīng)非常明顯了。
保羅?巴特勒：這個研究目標就是尋找第二個地球。當然，還有一個價值 600 億美元的問題：這些星球能否孕育生命嗎？生命是常見的還是罕見的？
那么地球在宇宙中到底以樣的地位存在著？地球有多特別？在過去的半個世紀里，我們已經(jīng)向我們的鄰居發(fā)射了探測器，并瞥見了遙遠恒星周圍的數(shù)千顆行星。這些結(jié)果表明，宇宙中的行星是各式各樣的，并暗示宇宙中可能不僅有一個，而是無數(shù)個類地行星。又或者，也許我們的星球以我們還不了解的方式成為了宇宙中非常幸運的那一顆行星，而且比我們想象的更不尋常。無論我們未來的觀測結(jié)果如何影響著我們的答案，我們將永遠與我們腳下的地球有著獨特的關(guān)系。
埃文?范?迪肖克：每次當我看著地球，我會想“哇，我們有這樣一個美麗的星球，我們應該更加細心地呵護著它”地球是否是獨一無二的？我們?nèi)匀粺o法回答這個問題。但是我們?nèi)匀恢档妹靼?，我們所處的星球，異常美麗?/p>
保羅?巴特勒：從個人感情經(jīng)歷而言，我們是難以發(fā)現(xiàn)一顆美麗的星球的。對于人類而言，我們無法再尋找到另一顆像地球一樣的鄰居了。我們確實以各種可能的方式進化到這個星球。我知道很多人都夢想著進入太空，但是我真的沒有興趣進入太空。如果我有三四天的時間，沒有更好的事情可做，我不介意躺在沙灘上。
作者：Adam Levy
翻譯：wnkwef; *0
審校：利有攸往
原文鏈接：The search for exoplanets
本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Adam Levy
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。