07 系外行星 Exoplanets

  毫無疑問，有行星的恆星十分常見，這已經不再是一種猜測。到2010年，已有超過400顆恆星被證實至少有一顆行星在繞著它們運動。這些高難度的探測結果表明，大多數類日恆星一定會有行星相伴。為了避免混淆，專業人士通常稱它們為「太陽系外行星」或「系外行星」。系外行星不包括質量超過13個木星質量(氘發生核聚變的閾值)的系外暗天體。這些系外暗天體被認為是類恆星而不是類行星，並被稱為「褐矮星」。

  檢測方法

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  20世紀70年代末以來積累的證據表明，大多數年輕的類日恆星周圍都有一圈塵埃。類日恆星周圍有塵埃的最初線索是塵埃對恆星候選體紅外光譜的影響，之後的線索來自20世紀80年代開始獲得的塵埃盤圖像。不管這些盤狀物是行星形成前的太陽星雲，還是恆星柯伊伯帶的殘餘塵埃，盤狀物的存在本身就表明塵埃盤中應該有大量行星。1995年，第一個系外行星被確認，這之後，發現系外行星的速度越來越快。

  徑向速度

  發現第一顆系外行星的方法，同時也是之後發現大多數系外行星的方法，是探測恆星徑向速度的微小變化。2010年至少有超過300顆系外行星是通過這種方法被發現的。徑向速度是一顆恆星向著或遠離地球運動的速度，不受視線範圍內任何運動的影響。通過測量恆星光譜特定波長的特徵吸收線，可以確定其徑向速度的變化，精度高達1米/秒。當恆星向我們移動時，特徵吸收線會向短波端移動，稱為「藍移」；當恆星遠離我們時，特徵吸收線會向長波端移動，稱為「紅移」，這種現象被稱為都卜勒效應。長期以來，徑向速度變化一直被用來測量雙星的軌道速度，從而推斷雙星的質量。但如果要測量質量小得多的系外行星對質量大得多的恆星的微小影響，就需要非常靈敏的現代儀器。在考慮由系外行星所引起的恆星徑向速度的微小變化越來越明顯之前，必須先考慮到地球自身軌道運動所引起的徑向速度變化。

  恆星和系外行星之間的引力取決於它們的質量之和。幸運的是，對於類太陽恆星來說，恆星的光譜類型和其質量之間有著眾所周知的關係。知道了這一點，我們就可以利用恆星徑向速度變化的周期和幅度來確定引起恆星前後運動的系外行星的質量。一般來說，能獨立測量系外行星軌道平面方向的方法是不存在的。因此，我們假設系外行星的軌道平面與我們的視線方向平行，以此來估計系外行星的質量。但是，除非系外行星的軌道平面恰好與我們的視線方向平行，不然恆星真實的徑向速度變化一定會大於我們所探測到的速度變化。不過，基於假設，對隨機定向軌道平面的統計表明，大多數系外行星的質量不會超過我們估計結果的兩倍。

  徑向速度法適用於離恆星較近的大行星，因為行星的大質量和近距離都會導致恆星徑向速度的變化達到最大。因此並不奇怪，第一批被探測到的系外行星往往比木星更大，並且其軌道距離恆星只有一個天文單位，我們稱之為「熱木星」。

  「熱木星」的發現曾引起相當大的轟動，因為這些「熱木星」位於恆星的冰霜線之內，並且不可能形成於它們現今所處的位置。人們已經接受了「熱木星」會進一步演化，然後向內遷移的觀點。這重新引發了關於我們太陽系早期行星遷移範圍的爭論。如果木星繼續向內遷移，它將依次摧毀或驅散每一顆類地行星。有一段時間，對「熱木星」的研究開啟了這樣一個前景：「熱木星」 摧毀或驅散每一顆類地行星的行為是正常的，而像我們太陽系這樣存在類地行星的系統則是非常罕見的。然而，改進的系外行星探測技術以及新出現的系外行星探測技術已經開始發現岩質行星，這表明早期「熱木星」的發現，僅僅是由於「熱木星」更容易被發現而已。

  凌日

  第二種常用的搜尋系外行星的方法是尋找「凌日」，這種方法的使用頻率可能很快就會超過徑向速度法。一顆系外行星擋在它的恆星之前，使恆星光線的一小部分被阻斷，這種現象就叫「凌日」。大多數凌日現象可利用自動望遠鏡對可能存在行星的恆星進行反覆掃描發現。這些自動望遠鏡最初是地面上的望遠鏡，但現在也有太空專用望遠鏡。

  只有當系外行星的軌道平面幾乎完全平行於我們的視線方向時，凌日才可能發生。從統計學上講，這大約只適用於0.5%的系外行星系統。在凌日過程中，星光一般只是輕微變暗。但是對最大的系外行星來說，星光變暗的幅度也最大。此外，對運動軌道靠近恆星的系外行星來說，凌日發生的頻率也更高。因此，運動軌道靠近恆星的最大系外行星更有可能被探測到。於是，「熱木星」被發現的概率再一次多於任何其他類型的行星。恆星與行星的相對大小可以通過恆星光線變暗幅度的精確值來推斷，而凌日持續的時間可以為我們提供軌道速度和軌道半徑的線索。因為凌日現象表明系外行星的軌道平面在我們的視線方向上，所以對後續的徑向速度測量就可以幫我們更好地描述該系統。在這種情況下，我們用徑向速度法得到的行星質量是真實值，而不是最小估計值。

  影像法及其他方法

  系外行星的成像極具挑戰性，因為它們比恆星暗淡得多。只有少數恆星的系外行星有個體成像。如你所料，這些成像的系外行星都是木星大小或者比木星大，大部分在距離其恆星數十甚至數百個天文單位的軌道上運行。2008年，夏威夷的紅外望遠鏡獲得的一幅自適應光學圖像顯示，有三顆系外行星圍繞著編號為hr8799的年輕類太陽恆星運行，它們的軌道與該類太陽恆星的距離分別為24AU、38AU和68AU。在這三顆系外行星之外，距該類太陽恆星大約75AU處，有一個塵埃盤。

  另一種探測系外行星的方法稱為「天體測量學」。這種方法在未來有很大的潛力，它依賴於對恆星位置的精確測定。任何看不見的「軌道伴星」都會引起恆星的擺動。天體測量學試圖檢測這種恆星位置的變化，而不是視線方向上恆星徑向速度的變化。由大軌道上的一顆大質量行星引起的這種恆星位置的變化是最大的，所以這種方法可以與對小軌道更敏感的方法互補。2002年，哈勃太空望遠鏡記錄了編號為Gliese 876的恆星的橫向擺動，首次證實了天體測量學法的成功。這使我們對一顆質量為2.6個木星質量，軌道距其恆星0.2AU，已經被徑向速度法探測到的系外行星有了更進一步的了解。2009年，一顆編號為VB10的紅矮星被發現其位置偏離源自一顆質量為6個木星質量的系外行星，這是用天體測量學法首次發現的不為人知的系外行星。

  另一種截然不同的方法是利用前景星和背景星之間永遠不會重複的隨機精確對齊。前景星就像一個「微引力透鏡」，放大了來自背景星的光。被探測到的背景星的亮度在幾周的時間內上升然後下降。如果前景星碰巧有一顆系外行星，便會導致一個持續數小時或數天的短暫的亮度高峰，疊加在一個緩慢上升再下降的亮度變化區間上。直到2010年，這種微引力透鏡方法已經發現了10顆系外行星。

  系外行星的命名

  系外行星沒有名字。我們通過在其恆星的名稱或星表名稱後面添加小寫字母來識別系外行星。在一類恆星系統中，第一個被發現的系外行星是b，第二個是c，以此類推(不使用a)。因此，Gliese 876的第一顆系外行星是Gliese 876 b，隨後在同一系統中發現的兩顆系外行星是Gliese 876 c和Gliese 876 d。這個慣例會導致混亂，因為這些字母與多系外行星系統中的行星的位置沒有關係。然而，這種方式是有效的。也許我們不強制使用這種命名方式是明智的，當地人可能已經為他們的家園起了很好的名字。

  多系外行星系統

  已知有近50顆恆星有多顆系外行星繞著其運行，使用組合檢測技術有時可以提供這一信息，但其實這項工作僅用徑向速度法就可以完成：這不過是一個逐步揭示更微妙的周期性變化的過程。表8列出了一些較大的多系外行星系統，其中，Gliese 581系統尤其值得注意。Gliese 581是一顆距地球20.5光年的紅矮星。Gliese 581系統包含著已知的質量最小的系外行星Gliese 581 e。這顆系外行星的質量可能只有1.9個地球質量，可以確定一定不超過4個地球質量。Gliese 581系統同時也包含著一顆可能被海洋覆蓋的類地行星Gliese 581 d，它的質量超過7個地球質量。Gliese 581 e因溫度太高而無法產生生命，甚至無法保留大氣層。但Gliese 581 d似乎位於其恆星的宜居帶。

  表8　一些多系外行星系統

  * 引用的一些質量是最小估計值。MJ = 木星質量

  在已知擁有系外行星的恆星中，距離我們最近的是波江座ε(Epsilon Eridani)，距離地球只有10.5光年。波江座ε b(Epsilon Eridani b)由徑向速度法發現，它是一顆巨行星，其質量與木星質量相近，位於距其恆星3.4 AU的軌道上。紅外望遠鏡顯示，波江座ε周圍有著以其為中心的，距其約3 AU和20 AU的岩石碎片帶——小行星帶，外加一個從距其35 AU處延伸到距其100 AU處的外塵埃盤。塵埃盤的結構已經被用來作為一顆未經證實的行星存在的證據。這顆行星名為波江座ε c(Epsilon Eridani c)，質量約為木星質量的十分之一，距離波江座ε大約40 AU。

  研究

  對於任何系外行星，我們都只有極少的直接信息。如果通過徑向速度法或天體測量學確定了系外行星的質量，我們就可以假設一個可能的密度來推斷該行星的大小。系外行星的大小可以由凌日法來揭示，也可以通過成像法來確定(基於亮度和假定反照率)。利用行星的大小，我們也可以假定一個可能的密度來推斷它的質量。系外行星與恆星的距離使我們可以得出行星表面溫度或大氣溫度的合理取值，但行星表面溫度或大氣溫度也取決於反照率和大氣中溫室氣體的混合物，因此誤差空間也很大。

  研究系外行星的下一個重大突破可能會隨著我們分析系外行星大氣成分能力的提高而到來。這最好由太空望遠鏡來完成，因為它能夠分離並分析單個系外行星的可見光和紅外光譜——最重要的是類地行星的可見光和紅外光譜。可以根據氣體的吸收特性來確定行星大氣中一些含量豐富的氣體的種類。探測到不應該在簡單化學條件下共存的一對氣體，比如氧和甲烷，可能是我們獲得的第一個生命會影響系外行星大氣層的證據。正如地球上的生命使地球大氣層發生了根本性的變化一樣，系外行星的大氣層也會受其生命的影響。

  系外行星上的生命

  在我們的銀河系中，大約有100億顆類似太陽的恆星，約占所有恆星的十分之一。系外行星一定很多，因為已經被充分研究過的類太陽恆星中，有一半都有行星繞其運行。到目前為止發現的大多數系外行星都是巨行星，因為它們最容易被探測到。但目前還沒有證據表明類地行星是普遍存在的。系外行星系統顯然是多種多樣的，不過，在像ψ和b這樣的「熱木星」向內遷移的過程中，沒有任何一顆類地行星能倖存下來。這樣的「熱木星」 的軌道目前距離恆星不到0.06 AU(表8)。我們已經開始尋找的類地行星很可能存在於很大一部分系外行星系統中。

  究竟有多少系外行星可能存在生命，這是一個令人煩惱的問題。讓我們來做一個非常保守的估計，只有1%的類日恆星有一顆類地行星長時間在宜居帶中運行。以此推算，我們的銀河系會有1億顆可供居住的類地行星。此外，圍繞著系外行星運行的可居住衛星的數量可能至少與此相當。

  但是，邏輯鏈的下一步就不那麼確定了。考慮到生命所需的條件，生命開始的可能性有多大？生命的基本構成要素並不是生命開始的必要因素。我們知道，太空中充滿了有機分子，水也很豐富，所以處在宜居帶的大多數系外行星將都有碳基生命所需的所有必要成分。這意味著《星際迷航》[1](Star Trek)中關於「我們所知的生命(life as we know it)」的說法並不是對依賴外來化學物質的其他生命形式的推測，它只是一派胡言而已。

  生命自然出現的過程是否容易，我們還不能確定。許多人，包括我自己，都認為系外行星的海洋中存在著無數的有機分子，而且已經有數百萬年可以去發展生命，因此，系外行星上不可避免會開始形成生命。一旦生命傳播開來，就很難被完全根除。即使生命被徹底根除了，它同樣容易重新開始。

  我們知道，地球上的生命用了不到5億年的時間就建立起支持生命存在的永久基礎。在我們找到系外行星上存在生命的跡象之前，銀河系(以及銀河系外的宇宙)中是否存在豐富的生命還有待證實。即使我們在火星、木衛二或土衛二上發現了現在或過去存在的生命，我們也不能貿然下結論說生命是從那裡孤立開始的，因為太陽系中的天體並不是完全相互孤立的。微生物可以從一個撞擊拋射物的碎片轉移到另一個撞擊拋射物的碎片中存活下來，木衛二的生命可能來自地球。我們也可以想像，地球上的生命是從火星上的一顆隕石開始的。

  有人在嗎

  如果其他恆星上有生命，那麼會不會存在智慧生命呢？讓我們理性地推測。據我們所知，智能生物需要多細胞生命。如果微生物生命開始了，隨後進化產生多細胞生物的可能性有多大？你可以對這個問題發表你的意見。在地球上，從微生物生命開始到進化產生多細胞生物經歷了幾十億年。

  多細胞生物出現後，其他星球上的生存競爭會像在地球上那樣，推動達爾文式的進化嗎？智力是會為生存競爭帶來優勢的一個因素，那麼，智力在生存競爭中有多不可或缺呢？

  即使按照我保守估算的數字，銀河系中有1億顆宜居的類地行星，如果再加上一種悲觀的觀點，生命開始的概率只有1%，那麼仍有100萬個天體會有生命存在，地球就是其中之一。如果地球是所有行星中的唯一或第一顆擁有智慧的行星，那將是很奇怪同時也令人敬畏的事。但如果生命是如此豐富，而智慧是生命的一個普通產物，那麼智慧生命都在哪裡呢？除非智慧極少出現，或者持續時間不長，例如，我們自己的文明就可能屈服於戰爭、自然災害或者自找的氣候變化，否則銀河系應該充滿智慧。

  智慧生命並不一定是我們發現它的地方所特有的。雖然恆星之間的距離很大，但在它們之間旅行是完全可能的。你不需要比光速還快的旅行，你所需要的只是決心和耐心。想像一艘足夠容納數百人的宇宙飛船，它需要100年的時間才能到達10光年外的一顆宜居的系外行星。我們可以使用可預見的未來幾十年的技術，自己建造這樣一艘船。然而除非使用某種休眠的方式，否則一到兩代船員將在飛行途中經歷生死，所以，這將是一次絕對單程的旅行。如果我們把這些殖民者送到附近所有可居住的系外行星上，不久之後，成功被殖民的地方有能力發射自己的殖民地飛船。我們希望在本世紀末對這些可居住的系外行星進行識別和描述。銀河系有10萬光年遼闊，所以，即使殖民浪潮到達10光年外要1000年的時間，那麼只需1000萬年就可以完成整個星系的殖民。毀滅單個殖民地的災難，或個別殖民地船隻的失敗，都不足以使殖民進程偏離軌道。

  銀河系已經有超過100億年的歷史了。假設智慧生命是豐富的，那麼應該有無數物種有足夠的時間來殖民銀河系。這就是費米悖論，以1950年美國物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)的名字命名。應該有眾多外星文明存在，但沒有外星文明存在的跡象：儘管地外文明探索(Search for Extra-Terrestrial Intelligence， SETI)旗下工作的團隊對天空進行了掃描，但並沒有探測到太空中的人造信號，也沒有探測到偉大的天文工程作品存在的跡象以及可靠的地球外星訪客記錄。到底是智慧生命稀少，還是我們太愚蠢，找不到證據？我希望有一天我們能找到答案。

  全書完

  [1]　語出科幻影視系列作品《星際迷航》第一季第2集，斯波克(Spock)說：「我們所知的生命都是碳化合物組成的，但如果生命是基於另一種元素呢？例如矽。」