首顆適合居住的類地行星？“開普勒

近日， 參與NASA開普勒任務(wù)的科學(xué)家宣布 ，通過開普勒望遠(yuǎn)鏡，他們首次在類似太陽的恒星周圍，發(fā)現(xiàn)了可能適宜居住的新行星。這一成果的曝光，給人們引來無限的遐想，本文也將對事件中最受關(guān)注的問題，一一進(jìn)行解讀。

行星本身是不發(fā)光的，因此直接觀測非常困難。但是，不發(fā)光的行星如果從恒星前方經(jīng)過，就會遮擋一部分星光，導(dǎo)致我們看到的恒星亮度在短時(shí)間內(nèi)稍稍變暗，隨后再恢復(fù)正常。如果這樣的星光變暗現(xiàn)象周期性出現(xiàn)，至少觀察到4次之后，就可以確定那里存在一顆我們看不見的行星。

開普勒望遠(yuǎn)鏡就是NASA專門用這種方法來發(fā)現(xiàn)外星行星的探測器。自2009年升空以來，它便一刻不停地監(jiān)測著大約15萬顆恒星，記錄它們亮度上的細(xì)微變化。如果是地球從太陽前方經(jīng)過，遮擋的陽光大約會使太陽的亮度下降萬分之一，而開普勒能夠檢測微弱到十萬分之一的星光變化。

新行星“開普勒-22b”就是通過這種方式發(fā)現(xiàn)的——開普勒望遠(yuǎn)鏡觀察到那顆恒星以大約290天為周期，發(fā)生星光變暗又恢復(fù)正常的現(xiàn)象。根據(jù)恒星亮度的變暗幅度，天文學(xué)家確定了行星的半徑，大約是地球的2.4倍；根據(jù)這一現(xiàn)象發(fā)生的周期，天文學(xué)家計(jì)算出了行星的軌道，確定它恰好位于那顆恒星的“宜居帶”中。

【新行星“開普勒-22b”的藝術(shù)想象畫，這顆行星也是NASA開普勒計(jì)劃證實(shí)它的首顆位于類太陽恒星宜居帶中的行星。圖片來自NASA】

先來看看我們最熟悉的太陽系：太陽系共有8顆行星，只有地球上存在宜人的氣溫，使水能以液態(tài)形式長期存在于地表之上。為什么會這樣？根本原因在于，地球到太陽的距離既不太近，也不太遠(yuǎn)，接受到的太陽輻射剛剛好。太陽周圍能夠滿足這一條件的區(qū)域，就被稱為“宜居帶”（habitable zone）。

不同恒星的宜居帶到恒星的遠(yuǎn)近并不是固定的，與恒星性質(zhì)有很大關(guān)系。如果一顆恒星溫度和亮度都比太陽高，宜居帶就會離它稍遠(yuǎn)一些；如果溫度和亮度都比太陽低，宜居帶就會稍近一些。此外，宜居帶也不是一個(gè)范圍非常狹窄的區(qū)域。太陽系的宜居帶從金星軌道外側(cè)一直延伸到火星軌道外側(cè)，因此嚴(yán)格說來，地球和火星都在太陽系的宜居帶內(nèi)。只不過火星質(zhì)量較小，留不住濃厚的大氣，后來變得寒冷而干燥，不適宜居住了。

“開普勒-22b”圍繞著一顆類似于太陽的恒星旋轉(zhuǎn)，這顆恒星發(fā)出的光比太陽光弱大約25%，因此那里的宜居帶要比太陽系里的宜居帶更靠近恒星一些。而在另一方面，“開普勒-22b”到母星的距離又比地球到太陽的平均距離近了大約15%，恰好使它舒舒服服地落在了宜居帶中。因此，如果新行星的性質(zhì)與地球相似，液態(tài)水就可以在那顆行星的地表上長期存在。

【開普勒-22b所處系統(tǒng)與內(nèi)太陽系的對比圖，宜居帶指行星距離恒星遠(yuǎn)近合適的區(qū)域，在這一區(qū)域中，生命存在所必需的液體水能夠存在。圖片來自NASA】

通過開普勒望遠(yuǎn)鏡的觀測，天文學(xué)家可以測出這顆新行星距離它的“太陽”有多遠(yuǎn)，也可以測定它的“太陽”每時(shí)每刻能夠釋放出多少光和熱。但僅憑這兩個(gè)條件，仍然無法確定行星表面的溫度，因?yàn)楹笳卟还馀c“陽光”的強(qiáng)弱有關(guān)，還與行星表面甚至大氣的許多性質(zhì)相關(guān)。

開普勒望遠(yuǎn)鏡用來尋找外星行星的那種方法，無法測定行星的質(zhì)量，也無法直接觀測這顆行星，因此天文學(xué)家難以確定這顆行星是像地球這樣的巖態(tài)行星，還是像木星那樣的氣態(tài)行星，甚至是完全不同的液態(tài)行星。至于行星擁有怎樣的大氣，表面由什么物質(zhì)構(gòu)成，就更是無從得知了。

不過，如果假設(shè)這顆行星與地球十分相似，擁有類似的陸地和海洋，還擁有類似的大氣來產(chǎn)生溫室效應(yīng)，天文學(xué)家就能計(jì)算出它的平均表面溫度大約是22℃左右。不過，這個(gè)數(shù)據(jù)只能算是“僅供參考”，因?yàn)榇嬖谔嗟牟淮_定因素。假設(shè)其他條件不變，只是那顆行星表面沒有大氣的話，它的平均表面溫度就會低至-11℃。

這顆行星并不像國內(nèi)一些媒體所傳的那樣，是“首顆適合居住的類地行星”。NASA的官方網(wǎng)站在發(fā)布這一消息時(shí)，使用的標(biāo)題是“NASA's Kepler Mission Confirms Its First Planet in Habitable Zone of Sun-like Star”，正確地翻譯成中文應(yīng)該是“NASA開普勒計(jì)劃證實(shí)它的首顆位于類太陽恒星宜居帶中的行星”。

這里的“首顆”，指的只是開普勒計(jì)劃證實(shí)的首顆，而非天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的首顆宜居行星。事實(shí)上，開普勒在它監(jiān)測的大約15萬顆恒星周圍，迄今為止共發(fā)現(xiàn)了2326顆疑似行星的候選者，其中大小與地球接近的有207顆，超級地球有680顆，海王星大小的1181顆，木星大小的203顆，還有55顆比木星更大。

開普勒探測器必須觀測到4次星光變暗，才能確定這一現(xiàn)象確實(shí)是由行星遮擋星光所致——這一步驟就叫做“證實(shí)”。在今年2月開普勒公布的行星候選者中，可能位于“宜居帶”中的共有54顆，而此次宣布的“開普勒-22b”就是其中第一顆得到證實(shí)的行星。在目前最新公布的行星候選者中，可能位于“宜居帶”中的仍有48顆。

另外，這顆行星目前尚未證實(shí)一定就是類地行星，這一點(diǎn)也算是以訛傳訛了。

【迄今為止，開普勒探測器已發(fā)現(xiàn)2326顆疑似行星的候選者，但它在科學(xué)上的主要目的，可不是為了尋找適宜人類居住的星球。圖片來自NASA】

開普勒探測器在科學(xué)上的主要目的，不是要尋找適宜人類居住的另一顆地球，而是要給銀河系里的行星作一個(gè)小規(guī)模的“人口抽查”。換句話說，通過開普勒對大約15萬顆恒星的不間斷監(jiān)測，天文學(xué)家想了解銀河系的2000億顆恒星中有多大比例擁有行星，擁有幾顆行星，這些行星的個(gè)頭及距離母星的遠(yuǎn)近又有什么統(tǒng)計(jì)上的分布規(guī)律。這些基本信息對于研究行星及恒星的形成都會有莫大的幫助。

因此，開普勒此次公布的這批數(shù)據(jù)中，天文學(xué)家更看重的反而是新公布的行星候選者中，各種大小的候選行星各有多少。當(dāng)然，確定開普勒的首顆宜居行星也很重要，至少提供了一個(gè)確實(shí)的證據(jù)，表明銀河系中適宜居住的行星并不十分罕見。這一發(fā)現(xiàn)也為將來更先進(jìn)的觀測設(shè)備提供了一個(gè)備選觀測目標(biāo)，到時(shí)候借助更先進(jìn)的設(shè)備，我們或許能夠測出這顆行星的質(zhì)量，甚至分析出行星的大氣成分，用更確切的數(shù)據(jù)來推斷那里是否真的適宜居住。

在現(xiàn)階段，這一發(fā)現(xiàn)的主要意義在于，它成了一個(gè)熱門話題，把公眾的視線引向了科學(xué)，引向了我們對未知世界的探索。同時(shí)，這也給科學(xué)家提供了一個(gè)機(jī)會，向公眾展示他們的工作和成果。對未知的外星行星世界的向往，或許會在許多人心中種下一顆好奇的種子，甚至有機(jī)會萌發(fā)成對科學(xué)的熱愛。

現(xiàn)有的人造航天器中，速度最快的當(dāng)數(shù)正在飛向冥王星的“新視野”號探測器，它的速度目前大約是15.5千米/秒。如果以這個(gè)速度飛向600光年以外的“開普勒-22b”，大約需要1160萬年才能抵達(dá)。就算是離太陽最近的恒星——半人馬座比鄰星，距離我們也足有4.22光年。以“新視野”號目前的速度飛行的話，抵達(dá)比鄰星也至少需要8萬年。因此，按照人類現(xiàn)有的技術(shù)水平，想要移民這顆行星的可能性幾乎為零。

當(dāng)然，我們無法排除人類科技出現(xiàn)突破的可能。或許有一天，我們造出了光速飛船，開辟了“任意門”，能夠穿梭于宇宙之間。到了那時(shí)，如果觀測證實(shí)“開普勒-22b”確實(shí)是一顆類地行星，確實(shí)適宜人類居住的話，那里或許會成為未來人類前往探索甚至定居的目的地。

不過到了那時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)的宜居行星應(yīng)該已經(jīng)一抓一大把，也不在乎這一顆了吧……