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1897 年,法国画家保罗・高更失去了自己的女儿,贫病之中的他认为自己人生走到了尽头,于是画了著名的《我们从何处来?我们是谁?我们向何处去?》来对自己的人生作为总结。这样的三句话,从整个人类文明的角度来考虑,或多或少可以解释为:生命火种真的来自地球么?我们是宇宙间孤独的存在么?茫茫宇宙中还有没有我们可以居住的星球?

我们对行星的了解,曾经一度被限制在太阳系内。我们可以精确地计算太阳系内各个行星的轨道,可以用铅笔发现海王星。但是我们对太阳系内行星了解的越多,这样一个问题就会越来越重要:行星,真的只在我们的太阳系中才有么?早在十八世纪的时候,人们就已经尝试过去寻找太阳系外的行星了。只不过当时技术所限,找到系外行星在当时看来就成了遥不可及的梦想。而这个梦想,持续了近两百年。

直到 1988 年,Bruce Campbell 和他的合作者才发表文章,提到他们发现了一颗恒星受到了一些扰动,他们含蓄地提到了这个扰动可能是由于围绕恒星转动的行星造成的。虽然直到 2003 年其他的研究组才确认了这确实是一颗行星造成的,但是我们可以说,第一颗系外行星在 1988 年就探测到了。而 1995 年,人们确认了第一颗围绕主序星(例如太阳就是主序星)运动的系外行星,名为“飞马座51b”。第一颗行星竟然起名字叫做 b,天文学家果然也是喜欢给自己留有余地。在系外行星的命名系统中,总是从 b 开始的。这跟电脑硬盘总是从 C 盘开始有异曲同工之妙。

好事多磨,这之后的十多年间,并没有很多令人激动的关于系外行星的消息。然而再之后,随着各类技术的进步,尤其是 Kepler 卫星的发射,系外行星已经不再稀有。截至 2017 年三月,被确认的系外行星现在达到了三千多颗,并且有五百多个多行星系统。人们对系外行星的关注度也越来越高。2017 年 2 月,NASA 新闻发布会提到了位于宝瓶座内的 TRAPPIST-1 恒星竟然有 7 颗类地行星,其中有 3 颗位于距离其宿主恒星不远不近,如果有水的话,是可以以液体水形态存在的,也就是这三颗行星是可能孕育有类似地球上生命的地方。

TRAPPIST-1 系统的七颗行星。公有领域图片,来自 NASA/JPL-Caltech

TRAPPIST-1 系统的七颗行星。公有领域图片,来自 NASA/JPL-Caltech

越来越多的系外行星的发现,使得有些原来看起来很遥远的科幻,也突然变得亲切起来。毕竟人类未来第一个星际飞行的目的地,很可能就在现在的系外行星列表中。而原来看起来像是玄学一样的生命起源问题和宇宙中其他文明的问题,我们已经看起来远方的一线曙光。

系外行星的探测

行星每个人都很熟悉,脚下踩着的地球,就是一颗岩石行星,抬头看星空,有时候也会看到土星木星这些比地球大很多的气态巨行星。然而这些行星都是在太阳系以内,距离太阳最近的恒星是半人马座Alpha,光也要穿梭 4.37 年才能到达这么远的地方,如果是飞机的话,要五百万年才能到达。而实际上大多数恒星距离太阳要比这远得多。当我们仰望星空的时候,是没有可能直接看到这样遥远的太阳系以外的行星的。

那么使用望远镜呢?现在望远镜的种类其实非常多,有些望远镜的样子甚至可能完全超乎大家的想象。不过我们提到这个词的时候,大多是指的那种巨大的带着透镜或者反射镜的光学望远镜。使用光学望远镜探测系外行星的梦想,正如开篇所说,持续了接近两百年。而现在,直接通过光学望远镜看到系外行星的影像,已经早已实现。例如下图就是位于飞马座中的三颗行星的影像。

使用海尔望远镜看到的三颗系外行星 HR8799 b, c 和 d。公有领域图片,来自 NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory

然而通过这样的直接影像寻找系外行星并非容易。晚上开车的时候,往往难以看清对面开大灯的车辆的司机,因为车灯太过耀眼。类似的,看清楚紧紧挨着恒星的行星也非常困难,因为系外行星的亮度往往要比其宿主恒星暗十亿倍,而且距离宿主恒星又相对比较近。不过通过使用仪器遮住其宿主恒星等类似的方法,现在的望远镜还是可以看到行星的。新世界任务(New Worlds Mission)就是一个通过对恒星遮挡进行系外行星研究的项目。

虽然直接看到系外行星的影像非常困难,天文学家还是有各种个各样的方式来探测系外行星。主要有两种原理:第一种是当行星运行到其宿主恒星和我们地球之间的时候,恒星的光线会被行星遮挡,从遥远的地球看来,恒星像是突然变暗了,这种方法叫做掩星法;第二种是因为行星的存在,导致恒星在天空中位置有些很小的扰动,从而导致我们观测到的恒星的光谱出现一些变化,这种方法叫做径向速度法。

现在找到系外行星最多的开普勒卫星,就是利用的第一种方法,也就是掩星法。虽然原理听起来很简单,但是实际上操作起来非常困难,因为一颗地球大小的行星对恒星遮挡的时候,可能只产生万分之一的亮度降低。而且如果行星围绕恒星转动的平面垂直于我们的视线,那么行星运行过程中并不会对恒星进行遮挡,这种方法也是无效的。掩星法的另一个缺点是,如果行星围绕恒星的公转周期很长,可能我们对恒星观测了很久,却没有等到行星恰巧对恒星进行遮挡的时候,也就无从谈到恒星亮度的变化了。

当行星运行到恒星前面的时候,会遮住一小部分恒星,从而恒星的亮度会降低,这种亮度变化叫做光变曲线。修改自公有领域图片,原图来自 [Nikola Smolenski](https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Nikola_Smolenski).

第二种方法,径向速度法,也并非完美。所谓行星围绕恒星转动,其实是恒星和行星围绕它们共同的质量中心转动,只是因为恒星质量比行星大很多,两者的质量中心基本上靠近恒星的中心,所以恒星位置变化不明显。这就好比每次气急败坏想要把对方扔出去的时候,总会发现自己也会被甩开,如果对方体重比较大,那基本上就会变成自己被甩出去了。但是如果我们仔细地观测恒星的光谱,恒星这种微小的前后摆动,会在光谱上展现出来。光谱会发生变化的原因是多普勒效应。根据我们的日常生活经验,当开着警笛的车辆朝我们开过来的时候,音调往往会高一些,而当这辆车离我们远去的时候,音调往往会低一些。如果我们能够知道车辆停在我们身边的时候音调的样子,那么原则上我们就可以通过听警笛的声音来判断车辆到底是离我们越来越近还是越来越远,甚至还可以判断车辆的速度。类似的,恒星往前或者往后摆动的时候,它发出的光也会往更高频率或者更低频移动。我们可以根据这种移动来判断是否有系外行星。

当然,实际上用来探测系外行星的方法并不仅仅局限于上面提到了直接影像、掩星法和径向速度法。还有诸如观测行星的引力场带来的光线的变化等等方法。

行星与生命

在现在确认的几千颗系外行星中,最显著的特色就是系外行星多种多样。不管是大小,还是公转周期,还是行星密度,都是多种多样的。而多样性促使我们思考这样一个问题:我们的太阳系真的是独一无二的么?实际上并非如此,在系外行星中,有很多的多行星的恒星系,也有很多岩石恒星,在文章开始也提到了最近发现的 TRAPPIST-1 这颗恒星拥有七颗岩石行星,甚至有三颗是处在温度很温和的轨道上。

所有这些发现,实际上使得费米悖论变得更加重要:我们发现了这么多的行星,可是为什么我们还没有遇到外星人呢?他们都到哪里去了?1950年,费米听到别人提到外星文明的事情,他觉得很奇怪,就问了这样一个问题:那他们在哪里呢?当时费米问出这个问题的时候,我们并没有观测到太阳系之外的行星,在那样一个年代,这样的问题似乎只是一个趣味思辨题目。现在我们已经确认了几千颗系外行星,而且这些数字还在继续增长。时至今日,费米的这个问题越来越重要,如果有那么多的系外行星,有些可能成为生命的栖居地,甚至出现高等文明,那这些文明都在哪里呢?

或许在思考地球以外的高等文明以前,我们应该退一步思考一个更加基本的问题:我们发现的这些系外行星上可能有生命么?

我们并不能够列举出所有可能的生命形式,但是我们知道生命有一种已经成功的形式,那就是地球生命。如果系外行星具备多样性的话,很有可能生命也是多样的,更不用说文明了。所以天体生物学(Astrobiology)的努力的方向,也是多样的,当然最多的还是考虑类地生命和文明这样的范式。

现在用于评判一个行星是否(对类地生命)宜居,有很多不同的标准,而且新的标准也在不停的被提出。这些标准主要涉及内容,例如是否是像地球这样的岩石行星,温度是否可以存在液态水,是否拥有大气层,是否适合(类似地球上的)植被生长等。即便按照这些标准,有些系外行星也是跟地球很相似的。

行星大气的观测在这个问题中有很关键的地位,因为行星大气的观测提供给我们的信息非常丰富,通过观测它的光谱,我们可以了解行星大气的密度,成分,是否存在云层或者雾气或者海洋,甚至是否有类地文明。在如今的天体物理学杂志上,相关的论文数量非常多,说明这是一个非常热门的研究课题。这些研究主要的手段还是使用行星的光谱。例如系外行星运行到其恒星前面,这颗恒星的光会透过行星边缘的大气层被我们看到,由于不同的物质分子会吸收不同波长的光,我们观测到的恒星光谱就会因为这些吸收而不同,通过观测那些波长被吸收以及被吸收的强度,就可以推断大气中含有哪些分子以及有多少,从而断定其成分。预计于 2018 年发射升空的 James Webb 太空望远镜的其中一个任务,就是要对更多的系外行星进行更加精确的光谱分析。

而这其中最让人感到兴奋的是,由于有些特定的分子是很难在行星演化的过程中自行产生的,而在人类文明的工业活动中却很容易产生,所以通过追踪系外行星大气中这样的分子,我们就可以推算这颗系外行星是否有可能存在类似人类的工业文明。虽然这可能是在众多可能的文明类型中一个非常小的一个分支,但是这至少为我们提供了一个机会。Lin, Abad 和 Leob 三个人写了一篇论文讨论使用 Jame Webb 太空望远镜来追踪这类分子的可行性。他们选取的分子是四氟化碳和一氟三氯甲烷这类工业污染,因为这些分子比较容易从光谱中分辨出来。当行星运行到恒星前的时候,我们可以首先查看是否有水蒸汽、氧气和二氧化碳等传统的类地生物所需要的物质,然后我们可以检测是否有大量的甲烷和氮的氧化物,这可能是使用文明大量使用化石燃料的第一个迹象,在之后可以查看是否有气体的工业污染的迹象,例如四氟化碳和一氟三氯甲烷此类,这样通过逐步筛查,我们就可以初步估计某些系外行星是否有使用化石燃料的高等文明。当我们有足够的数据的时候,就可以分析这些具有生命的行星在宇宙中的分布,从而分析宇宙中生命的起源理论。

隐藏地球

然而,通过上面的这些分析,我们会发现一个行星无时无刻在暴露自己的很多信息。这样我们就自然考虑到如何保护地球不被其他的文明探测到呢?虽然地球的信息可能是通过其他我们人类尚未能够探测的方式来暴露的,但是作为保护自己的第一步,我们要考虑如何才能使地球免于被上文提到的方法探测到。

来自哥伦比亚大学的 Kipping 和 Teachey 在一篇论文中讨论了使用激光来保护地球的方法。如果在遥远的地方,有一个文明正在使用掩星法来扫描星空,寻找系外行星,这时候我们只需要在每次地球运行到太阳和这个文明之间的时候,朝这个文明的方向发射适当强度和某些波长的光,就可以补偿地球对太阳光的遮挡,这样对方就不会探测到地球的存在了。论文作者估算如果使用激光的话,这样的装置的耗电量只需要一个小型核电站就足够了,从长远来看,这样的装置显然是可行的。同样的方法可以掩盖地球大气光谱中的一些分子的信息,通过向对方发射某些特定的波长的激光,就可以补偿地球大气中某些分子对特定波长的光的吸收。

这同时也从另一个方面提醒我们,如果我们在对系外行星进行观测的时候,发现了一些并不是十分自洽的情形,那么就需要考虑是否是对方在尝试使用一些方法来屏蔽我们的探测了。

一个新的时代

我们正在一个巨大的历史事件的前夕,系外行星带给我们的,不仅仅是宇宙中的几颗行星,也不是新闻中的几幅人类对系外行星的艺术想象图,这更是一个促使我们思考的契机:我们在着茫茫宇宙中到底是什么样的地位,地球生命有着什么样的过去,人类文明的未来又该走向何方?

如果有一天,我们探测到了系外行星上的文明,我们知道他们的存在,却没有足够的能力透过遥远的星际空间告诉他们,或许他们也已经知道了我们的存在,却同样无法与我们传递信息。两个文明,中间隔着无法跨越的时空,这样孤独地各自生活么?

By OctoMiao

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