寻找新世界

碧声


　　人类发现的太阳系外行星差不多有100颗了。虽然其中没有哪一颗与地球相似，但前景令人鼓舞。


　　以宇宙之广大，或许有可能诞生与地球生命形式完全不同的生命——基本成分不同（比如基础元素是硅而不是碳的硅基生命）、遗传物质不同（不是DNA和RNA）、生活环境和外在形态更是完全不同（八爪鱼或大蟑螂吗？参见各种离奇的科幻小说）。但人类认识地外生命的过程，还是要从寻找与自己相似的生命开始。此类搜索的第一步（除了派飞船到邻近行星上去挖细菌），就是寻找条件与地球相似的太阳系外行星。过去十几年来，人们差不多研究过了100光年以内的所有恒星，在1000多颗恒星的周围发现了约100颗行星。如果这个接近10%的比例具有代表性，那么我们可以大致估算出，银河系的2000多亿颗恒星中可能有200亿颗拥有自己的行星系统，完全有理由猜想其中存在与地球非常相像的星球。

　　根据法国巴黎天文台的Jean Schneider的统计，截至2002年6月底，人类已经发现了100颗太阳系外行星。可能由于对其中某些行星的身份认定存在不同意见——或者还有网页更新速度不一的缘故，美国加州－卡耐基行星搜索小组及美国宇航局喷气推进实验室的统计表还不足100之数，前者为92颗，后者则为82颗。在Schneider的统计表中，这第100颗太阳系外行星绕HD2039恒星运转，质量为4.12个木星质量，与恒星距离为2.19个天文单位（即地球与太阳距离的2.19倍），绕其恒星公转周期为近1210个地球日，HD2039恒星与地球的距离约为293光年。

　　目前发现的太阳系外行星都是与木星相似的巨型气态行星，大部分行星的质量比木星大，最大的甚至有13.75个木星质量。但这并不表示其它恒星周围的行星真的大多是类木行星，只是我们现在的观测能力有限，只能先看到这些大行星罢了。行星本身不发光，只会反射恒星的光芒。想想人类当初发现冥王星尚且那么困难，要在几十、几百光年的距离上直接看到一颗行星，实在还不是目前的水平能达到的。1999年底曾有英国科学家报告说，他们从50光年外的一颗恒星的光芒里分离出了行星的光芒，引起了广泛关注。大半年后，研究者承认，重复研究表明原先的结果可能是随机误差导致的，只是空欢喜一场。



多普勒摆动：行星引力作用使恒星在很小的椭圆轨道上运动，
从地球上看来，这种运动会使恒星发出的光有规律地红移和蓝移。


　　目前最常用于寻找太阳系外行星的方法是所谓“多普勒摆动”（Doppler Wobble）。我们通常说“行星在引力的作用下绕恒星公转”，实际上应该是恒星－行星的双星系统绕它们共同的质心公转。只是恒星的质量比行星大得多，两者的共同质心离恒星非常近而离行星很远，因此马马虎虎地说行星绕恒星公转也无不可。由于恒星本身也沿一个微小的椭圆轨道绕共同质心运转，从地球上看来，它在有规律地靠近和远离地球。由于多普勒效应，恒星靠近地球的过程中，其到达地球的光线会发生蓝移；而远离地球的过程中，光线会发生红移。观察恒星光谱这种周期性的微小摆动，就能察知附近必有一个看不见的天体在牵引它。很显然，行星质量越大、离其恒星越近，多普勒摆动的效果就越明显，因此人类首先发现的太阳系外行星中以离恒星很近、质量巨大的行星居多，也是理所当然。

　　行星对其恒星运动的影响也可不利用光谱来判定，而通过直接观察恒星位置的变化，不过依据的基本原理与多普勒摆动基本相同，都适用于质量较大的行星。另一种方法是观察行星对恒星的周期性掩蚀：从地球上看来，当一颗行星经过其恒星表面时，虽然行星本身不能被直接看到，但它引起的“日食”会使恒星的光芒减弱，掩蚀结束后光度又恢复正常。这种方法对行星和恒星位置的要求未免高了一点，但它是目前唯一可行的寻找小质量行星——即与地球差不多大小的行星——的方法。


　　总的来说，迄今发现的太阳系外行星还没有任何一颗谈得上与地球略有相似之处。不过加州－卡耐基行星搜索小组6月份报告的15颗新行星中，有两颗颇为有趣。一颗是迄今发现的质量最小的太阳系外行星，仅0.12个木星质量（不过仍相当于38个地球），绕御夫座方向上的HD49674恒星（离地球133光年）运转，与恒星距离为日地距离的1/20，公转周期接近5个地球日。另一颗位于巨蟹座55（55 Cnc）恒星附近，是这颗恒星的三颗行星之一。它的质量约为4个木星质量，轨道半径为5.9个天文单位，与木星的轨道半径相当接近，是已发现的太阳系外行星中与其恒星距离最远的。

　　终极大奖——质量与地球相似的固态行星、与其恒星之间的距离也正好合适，这样的行星不能依靠多普勒摆动来发现。美国宇航局的“开普勒”和欧洲航天局的“爱丁顿”飞船分别计划于2006年和2008年发射，都将通过观察行星对恒星的掩蚀来寻找小质量行星。太空中的观测角度要灵活得多，这些飞船有望发现成千甚至上万颗行星。根据欧洲航天局的计划，“爱丁顿”之后的“盖娅”将扩大搜索范围，最后由“达尔文”飞船队来分析那些与地球最相似的行星发出的光芒，从这些行星的大气中寻找生命迹象。

　　除了寻找与地球相似的星球，研究太阳系外行星还将有助于了解太阳系行星的形成过程。科学家一般认为，太阳系是一团星云状物质在引力作用下收缩形成的，核心处聚集的物质温度升高，点燃核反应形成太阳；外围物质也聚集形成称为一些“原行星盘”的气体尘埃盘，最终成为行星。但这种概念比较模糊，一些细节存在不少疑问和争议。我们不可能逆转时间去看早期的太阳系，但如果能发现足够多的、处于不同演化阶段的太阳系外行星，就可以很好地解答行星的形成问题。这就像我们不必从婴儿出生开始一直追踪几十年到他老死，只需要观察一下世界上老老少少不同的人，就能知道人是怎样诞生、长大、变老的。



　　天文学家在这方面已经迈出了尝试性的步伐。一个研究小组6月19日在卡耐基研究所举行的太阳系外行星学术会议上说，他们发现麒麟座方向上的KH 15D恒星的光芒会周期性地变暗，这颗恒星离地球2400光年，年龄仅300万年左右，尚处于幼年期。它的亮度以48.3天为周期有规律地变化，最暗时亮度仅为平常的4%，约两天之后恢复正常。科学家认为这种“眨眼”现象可能不是行星掩蚀恒星形成的，而是尚未形成行星的尘埃云，即正在诞生中的行星。



想象图：HD141569恒星周围的尘埃环和正在诞生的气态行星


　　另一批天文学家则在7月4日的《自然》杂志上报告说，他们在320光年外的HD141569恒星附近发现了巨型气体行星正在诞生的迹象。这颗恒星年龄在500至1000万年之间，质量比太阳太2至3倍，研究人员从它的光谱中发现了一氧化碳和H3+（三个氢原子组成的原子团，失去了一个电子）的谱线，前者代表着恒星周围的尘埃，后者则是木星等巨型气态行星的典型特征。据推测，在离该恒星17个天文单位的地方可能有一个尘埃环，7个天文单位的地方则有一个正在形成的气态大行星。这些发现如果得到证实，都代表着太阳系演化早期的重要阶段，对研究行星的演化十分有用。