本報記者 張佳星
藝術家對系外行星trappist-1e的構想圖
當太陽變成紅巨星時，宜居帶將外移至木星和土星軌道處。
在從美國佛羅里達州搭乘火箭升空近一個月後，美國國家航空航天局（NASA）的凌日系外行星勘測衛星（TESS）發回了它的第一張照片。雖然只是一張測試曝光照片，卻讓我們看到銀河系超過20萬顆恆星，也讓人們對它即將展開的行星探測任務充滿期待。
實際上，視力更強、視場更大的TESS望遠鏡，只是人類尋找系外行星諸多努力中的一種。通過太空和地面望遠鏡，人類已經在太陽系之外發現數千顆行星。它們中的不少已經讓人們為接近找到“另一個地球”這個目標而興奮。那麼，要成為地球的“兄弟”，行星需要滿足哪些條件？現在，我們離這個目標還有多遠？
宜居要有“兄弟相”
看行星和地球有沒有“兄弟相”，是天文學家判斷未知星球宜居與否的重要依據。“目前宜居星球的唯一參照物就是我們的地球，所以很多研究都是以地球為樣本。”香港大學地球科學系博士後張曉佳說，宜居星球的判定依據包括古時候的氣候、大氣組分、大陸板塊、是否有磁場保護等。
地球是一顆絢麗的藍色星球。要與它相似，表面是否有液態水是首要因素。清華大學地球系統科學系教授田豐表示，目前對太陽系外宜居行星的研究仍主要關注液態水存在的環境。“一顆系外行星的質量、其圍繞恆星的光度和活動性、以及恆星與行星之間的距離，都 需要滿足一定條件從而確保該行星能夠擁有液態水。”田豐說，符合這些條件的行星可以稱為疑似宜居系外行星。
例如，離恆星太近，會導致星球溫度太高，難以保存液態水。“有理論認為由於金星距離太陽過近，它表面的海洋在最初的1億年左右的時間裡逃逸了。”田豐說，這對宜居系外行星在自身行星系統中的位置提出了要求。
“但太陽系中地球的位置只能做參考，目前發現的絕大多數疑似宜居系外行星的恆星都是紅矮星，質量和能量都比太陽小。”田豐說，這意味著宜居星球與恆星的位置可以近一些，但近多少還需要具體觀測。
要考慮的第二個因素是行星表面物質狀態。“岩石行星是首選。”張曉佳說，這個要求限定了星球的密度。在觀測中，不是每一個系外行星都能同時測得質量和大小從而估算出密度。一般認為大小在地球2倍以內的行星是岩石行星的可能性很高。
“裙帶關係”漏天機
一個個地排查行星與地球是否有“兄弟相”，就像掀開一塊塊石頭看底下有沒有生命一樣費時費力。資料顯示，到2018年人類已經發現近4000顆系外行星，此外還有數千顆候選行星。
由於恆星是行星系統中的“主宰”，天文學家轉換思路從“主宰”的角度研究宜居性。“根據恆星輻射量，確定一個宜居帶，位於那裡的行星表面極有可能有穩定存在的液態水。”張曉佳說，可以參考太陽系的行星給出一個大致範圍，比如已知金星的情況以及它接受到太陽輻射量是地球的1.9倍，可以認為接受到恆星輻射量超過這個數值的系外岩石行星溫度過高而不宜居；輻射量下限則可參考早期火星。通過與其他參數共同推算行星表面溫度，可得出一個恆星周圍的宜居帶。
在與恆星有某些特定的“裙帶關係”的區域內尋找宜居行星，成功幾率更大。由歐洲南方天文臺長期觀測發現的比鄰星b幾乎符合所有的宜居條件。資料顯示，它的半徑在地球半徑的0.94—1.4倍之間，質量約為地球的1.3倍。雖然它與比鄰星（它的母恆星）的距離是水星距離太陽的1/10，但比鄰星是個紅矮星，比鄰星b受到的恆星輻射遠遠不及太陽給水星的輻射量。
與恆星恰好的距離以及自身合適的大小，讓比鄰星b成為最有希望的宜居星球，天文學家預測這裡可能擁有溫和的大氣、海洋、岩石。
另一個被兩位專家同時點名的宜居行星是kepler-186f。張曉佳介紹，它是第1個在宜居帶內發現的大小接近地球的系外行星，但質量和組成不確定，因為距離太過遙遠，目前的技術無法觀測得到行星大氣信息，並不確定它是否宜居。“一個簡單的模型推測其溫度可能在零攝氏度以上，同系統內的其它四個行星因為與恆星距離太近，都不在宜居帶內。”張曉佳說。
“NASA的開普勒天文衛星發現了十幾顆疑似宜居系外行星，但都在距地球500光年以外，”田豐說，未來也很難用望遠鏡來觀測並確定其宜居性，更無法通過觀測來發現上面的生命，真正是“遙不可及”。
尋找在曲折中前進
離錯誤的目標越近、離正確的目標可能越遠。因此，在宜居行星的搜尋中，總會有不同的研究團隊站出來唱唱反調。
在發現比鄰星b後不到一年，就有研究團隊表示，恆星巨大的耀斑很可能早就將這個星球上的生命“摁滅”在萌芽階段。團隊通過設計一個紅矮星宜居帶新模型，將紅矮星可能頻繁爆發耀斑的因素考慮在內，將比鄰星b的距離、大小等因素模擬進模型中，研究耀斑產生大量X射線和遠紫外線輻射對行星的影響。最終得出結論，耀斑可以剝離軌道行星大氣層中分子的電子，驅逐構造生命的重要元素。
這個模型提出了新的觀點：雖然紅矮星這個“火爐”燒得不旺，但是靠得太近可能會使行星遭遇溫度之外的其他危險。
不只比鄰星b，其他疑似宜居星球也先後被相關研究“質疑”。例如被稱為“太陽系姊妹”的TRAPPIST-1行星系統有7顆類地行星，其中1—3顆在宜居帶內。而一項研究表明，為了抵抗來自母恆星的電磁風暴，這個系統中的行星必須要有強度為數十到數百高斯的磁場，而地球磁場只有大約0.5高斯。
在發現、質疑、再發現的輪番出場中，天文學家還是對發現宜居行星充滿信心。“應該說已經找到疑似宜居系外行星，接下來是要依靠觀測確認這些行星的宜居性。”田豐表示，“美國的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將有能力觀測系外行星的大氣，幸運的話2020年發射後不久就有消息了，不走運的話要十年以上。後續跟進的系外行星搜尋計劃將在不久的未來發現成百上千顆太陽附近的岩石行星，為更進一步通過觀測瞭解系外行星的宜居性和生命信號提供重要目標。”
閱讀更多 科技日報 的文章
