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本文发表于《科学画报》 2012 年第 3 期 (上海科学技术出版社出版)。

寻找 “地球”

- 卢昌海 -

本文是替《科学画报》撰写的专栏短文, 本站版本在若干人名和术语初次出现时注有英文。

银河系中究竟有多少颗行星? 这在以前是一个理论问题, 如今却更多地成为了观测项目。

1992 年, 科学家们在一颗编号为 PSR 1257+12 的脉冲星 (pulsar) 周围发现了两颗行星, 由此开启了观测太阳系以外行星 (extrasolar planet) 的时代。 截至 2012 年 1 月, 已被确认的太阳系以外行星达到了 700 多颗, 有待确认的 “候选者” 更是多达 1,000 多颗。 相应的, 人们对银河系中行星数量的估计也一再飙升, 仅在过去一年里, 就从 500 亿增加到了 1,600 亿。

研究太阳系以外的行星有什么意义呢? 首要的意义是帮助我们更好地理解行星系统的特点及形成。 其次则是探索外星生物——尤其是智慧生物——存在的可能性。 后者导致的一个搜索目标, 就是寻找类似于地球的行星, 或曰寻找 “地球”。

什么是类似于地球的行星呢? 首先, 它所围绕的必须是所谓的主序星 (main-sequence star), 即像太阳这样尚处于 “壮年” 期的恒星, 而且 “块头” 与太阳相近 (否则会因各种原因无法长期维持生物演化所需的稳定而适宜的环境)。 其次, 它必须是 “类地行星” (terrestrial planet), 即象地球这样具有固体表面的行星。 此外, 它还必须能长期维持液态水和大气, 这要求它与恒星的距离适中, 即位于所谓的 “可栖息带” (habitable zone) 中, 而且质量不能比地球小太多 (否则不会有足够的引力长期维持液态水和大气)。

开普勒 20 周围的两个 “地球” 与真正地球 (中间) 的大小对比
开普勒 20 周围的两个 “地球”
与真正地球 (中间) 的大小对比

为了寻找 “地球”, 科学家们进行了长期努力。 1995 年, 他们在一颗编号为 “飞马座 51” (51 Pegasi) 的类似于太阳的主序星周围首次发现了行星, 可惜那是一颗象木星那样的气态巨行星 (gas giant)。 这是观测手段造成的自然筛选 (因为气态巨行星比较容易被发现)。 直到十年后的 2005 年, 科学家们才在一颗编号为 “格利泽 876” (Gliese 876) 的红矮星周围发现了一颗质量约为地球 7.5 倍的类地行星。 这种比地球大的类地行星被称为 “超级地球” (super-Earth)。 2009 年之后, 随着开普勒太空望远镜 (Kepler space telescope) 的启用, “超级地球” 的大小逐渐向 “地球” 靠拢。 2011 年底, 科学家们终于在一颗编号为开普勒 20 (Kepler-20) 的类似于太阳的主序星周围发现了两颗质量与地球相近的行星。 这一消息不仅令科学家们感到振奋, 也引起了媒体的关注。

但美中不足的是, 这两个 “地球” 离它们的恒星都太近, 从而并不位于可栖息带中。 这也是观测手段造成的自然筛选 (因为开普勒太空望远镜需要观测三个公转周期才能提供一个行星候选者, 因此先发现的只能是公转周期较短, 从而离恒星较近的行星)。 科学家们期待在不久的将来会发现位于可栖息带中的 “地球”。

但即便是那样的 “地球”, 它们与存在智慧生物之间也仍可能有着很大距离。 有些科学家认为, 智慧生物的产生有可能需要极为苛刻的条件, 包括一些粗看起来无关紧要的条件——比如在适当的距离上存在木星那样的气态巨行星, 以及拥有月球那样相对质量很大的卫星等。 因为前者可以在很大的范围内扫清小天体, 使 “地球” 上的生物不至于频繁遭遇毁灭性的陨星撞击; 后者则可以起到维持 “地球” 自转轴的稳定等作用。 根据那些科学家的估计, 考虑了所有条件之后, 有智慧生物存在的 “地球” 是极为稀有的, 即便在已大大 “扩容” 了的银河系数以千亿计的行星之中, 也仍有可能是独一无二的, 这被称为 “稀有地球假设” (Rare Earth hypothesis)。

当然, 这是一个有争议的假设, 它的一个最有可能的缺陷就是过于依赖于人类自身这一智慧生物的单一样本。 其实, 寻找 “地球” 的过程本身就多次显示出了单一样本的不可靠性。 比如人们曾经认为类地行星离恒星较近, 气态巨行星离恒星较远。 但实际上, 太阳系以外的一部分气态巨行星却出现在离恒星极近的地方; 2011 年底所发现的那两个 “地球” 更是如三明治一样与气态巨行星交错分布着。 这一切都无情地打破了人们曾经由太阳系这个单一样本所推断出的行星分布 “规律”。

不过, 争议归争议, 寻找 “地球” 的努力仍将继续。 即便存在智慧生物的 “地球” 真的极为稀有, 寻找在某些方面类似于地球的行星依然是一项重要的探索。 也许有一天, 人类会向那样的 “地球” 移民, 甚至如阿西莫夫 (Isaac Asimov) 小说所描绘的那样组成一个 “银河帝国” (galactic empire) 呢!

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