編者按
北京時(shí)間7月24日零點(diǎn)，美國國家航空航天局（NASA）召開發(fā)布會(huì)，宣布發(fā)現(xiàn)了所謂“另一個(gè)地球”，也就是迄今為止與地球最相似的系外行星——開普勒452b（Kepler 452b）。發(fā)布會(huì)通過音頻與圖片形式向全球直播。
而在此之前，NASA在發(fā)布會(huì)預(yù)告中稱：“天文學(xué)家們已經(jīng)接近幾千年來我們所夢想的目標(biāo)——發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球?！边@一表述可謂吊足了人們的胃口。全球都在期待NASA帶給我們振奮人心的重大消息。
除了公布最新發(fā)現(xiàn)，NASA的高調(diào)行動(dòng)似乎也另有訴求。在中國國家天文臺(tái)副研究員、科普專家鄭永春看來，此次新聞發(fā)布會(huì)更像是花費(fèi)了6億多美元的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡向全球公眾，特別是美國政府、國會(huì)和納稅人的“匯報(bào)演出”，“目的是告訴他們，你們給的這些錢沒有白花”。
太陽系之外真的有這么多“地球”嗎？位于恒星宜居帶內(nèi)的系外行星，如果大小與地球相近則往往被描繪為可能有水，適合生命生存。但實(shí)際上這還取決于行星的物質(zhì)組成、有無大氣層等行星本身的性質(zhì)。
引子
地球孕育了人類，是迄今為止浩瀚宇宙中唯一確證有生命的星球。地球是太陽系八大行星之一，銀河系中像太陽一樣的恒星有上千億顆，而整個(gè)宇宙中像銀河系一樣的星系又?jǐn)?shù)以千億計(jì)。
如果從太陽系外看，地球就像宇宙中的一粒塵埃，恰恰是這粒塵埃，卻是人類唯一的賴以生存的家園。我們遺憾地發(fā)現(xiàn)，迄今為止，地球仍是太空中唯一適合人類長期居住的行星。系外行星的想象雖然美好，但這只是一個(gè)美麗的童話，另一個(gè)地球美好的“遠(yuǎn)水”解決不了人類面臨的“近渴”，人類未來的命運(yùn)系于地球。除了地球，我們別無所依。
開普勒太空望遠(yuǎn)鏡搜尋之旅
所謂系外行星，就是位于太陽系之外，圍繞另一顆恒星運(yùn)行的行星。7月23日，美國國家航空航天局對外發(fā)布預(yù)告，將于北京時(shí)間7月24日零點(diǎn)整對外發(fā)布有關(guān)系外行星搜尋“令人興奮”的新消息。預(yù)告稱“天文學(xué)家們已經(jīng)接近幾千年來我們所夢想的目標(biāo)——發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球。”這個(gè)預(yù)告一下子吸引了全球新聞界特別是科技媒體的關(guān)注。
從7月14日“新視野號”飛掠冥王星和冥衛(wèi)持續(xù)數(shù)天的新聞報(bào)道，到前幾天鉑金小行星飛越地球附近的“財(cái)富誘惑”，再到今天宣布發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球——開普勒452b 。今年7月的這個(gè)夏天，太空和宇宙探索的新聞讓我們把目光投向?qū)庫o絢爛的遙遠(yuǎn)星空，似乎它們能夠在酷暑煎熬中帶給我們一絲清涼。
以我的個(gè)人分析，這次新聞發(fā)布會(huì)更像是花費(fèi)了6億多美元的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡向全球公眾，特別是美國政府、國會(huì)和納稅人的“匯報(bào)演出”，目的是告訴他們，你們給的這些錢沒有白花，以爭取得到進(jìn)一步的研究資助。我們應(yīng)該知道，NASA不僅僅是一個(gè)龐大的航天科研機(jī)構(gòu)，它也是一個(gè)政府部門，在科學(xué)傳播和新聞素材的饑渴發(fā)布，以及吊人胃口、吸引眼球方面已經(jīng)十分嫻熟，類似的操作手段，我們其實(shí)已經(jīng)屢見不鮮。這些操作既塑造了它良好的公眾形象，傳播了科學(xué)精神，也回應(yīng)了公眾期待。
開普勒太空望遠(yuǎn)鏡由NASA下屬的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制，它攜帶的最主要的科學(xué)儀器——光度計(jì)配備了一個(gè)直徑95厘米的透鏡。與哈勃望遠(yuǎn)鏡主要用來拍攝星空圖片不同，開普勒望遠(yuǎn)鏡是世界上第一顆探測系外行星的航天器。2009年3月7日，開普勒望遠(yuǎn)鏡從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地17-B發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空，在3年多的任務(wù)期內(nèi)，開普勒望遠(yuǎn)鏡對天鵝座和天琴座中約10萬個(gè)恒星系統(tǒng)開展了觀測，目的是搜尋太陽系外的行星，特別是搜尋與地球相似、由巖石構(gòu)成，并位于恒星宜居帶上的行星，以研究銀河系內(nèi)行星系統(tǒng)的多樣性。所謂“宜居帶”是指恒星所屬的行星系統(tǒng)中適合生命存在的區(qū)域，在太陽系中，距離太陽0.99～1.70天文單位（1天文單位等于1.5億公里）之間的區(qū)域被稱為宜居帶。由于恒星輻射強(qiáng)度的差異，宜居帶與恒星的距離有所不同。
開普勒望遠(yuǎn)鏡擔(dān)負(fù)著尋找第二個(gè)地球的重任
開普勒望遠(yuǎn)鏡通過觀測行星穿越恒星的“凌日”現(xiàn)象搜尋系外行星。所謂“凌日”是指行星經(jīng)過其所屬的母恒星前的現(xiàn)象，就像地球上觀測水星或金星凌日的天象時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽表面有個(gè)小黑點(diǎn)在緩慢移動(dòng)。當(dāng)行星運(yùn)行到開普勒望遠(yuǎn)鏡與這顆行星所屬的恒星系統(tǒng)之間時(shí)，由于行星的遮擋，望遠(yuǎn)鏡上的光度計(jì)接收到的恒星亮度信號會(huì)減弱。開普勒望遠(yuǎn)鏡上的光度計(jì)非常靈敏，可以檢測到恒星亮度的十萬分之一的微弱變化?？茖W(xué)家根據(jù)恒星亮度周期性的微弱變化，可以推算出系外行星的大小和軌道周期。
為了精確對準(zhǔn)觀測天區(qū)，開普勒望遠(yuǎn)鏡配備了4個(gè)反應(yīng)輪以控制望遠(yuǎn)鏡的方向，其中至少要有3個(gè)反應(yīng)輪正常工作才能實(shí)施觀測。2012年7月，望遠(yuǎn)鏡上的1個(gè)反應(yīng)輪出現(xiàn)故障，但仍可正常觀測。2012年11月，望遠(yuǎn)鏡原定的主要觀測任務(wù)順利完成，原計(jì)劃將觀測壽命延長4年。但2013年5月，又一個(gè)反應(yīng)輪出現(xiàn)故障，由于無法湊齊3個(gè)反應(yīng)輪一起工作，望遠(yuǎn)鏡的正常觀測基本停止。經(jīng)過連續(xù)數(shù)月的分析測試和挽救努力后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)于2013年8月19日宣布放棄修復(fù)望遠(yuǎn)鏡，轉(zhuǎn)而讓其承擔(dān)其它研究任務(wù)。
“第二個(gè)地球”——開普勒452b
新聞發(fā)布會(huì)準(zhǔn)時(shí)開始，以音頻和圖片形式向全球直播，開普勒望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止與地球最相似的系外行星——開普勒452b（Kepler 452b）。
開普勒452b的直徑比地球大60%，距離地球約1400光年（1光年約等于10萬億公里），位于天鵝座。2015年1月6日，NASA曾經(jīng)發(fā)布開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的第1000顆系外行星，其中開普勒438b、開普勒442b、開普勒440b等三顆行星的運(yùn)行軌道位于宜居帶內(nèi)，當(dāng)時(shí)報(bào)道也稱之為“另一個(gè)地球”。但那三顆行星圍繞運(yùn)行的恒星是質(zhì)量較小、溫度較低的紅矮星，而開普勒452b圍繞運(yùn)行的是一顆與太陽相似的恒星——開普勒452。
開普勒452b的直徑略大于地球，和中心恒星之間的距離與日地距離相似，比開普勒186f更像地球。
由于“凌日”法只能測量系外行星的直徑大小，無法估算其質(zhì)量，因此無法根據(jù)密度判斷開普勒452b究竟是不是巖石質(zhì)的行星。但根據(jù)理論模型推測，開普勒452b的質(zhì)量可能約為地球的5倍，若推測成立，則它應(yīng)該是一顆巖石行星，而不是像木星、土星、海王星那樣氣液態(tài)的巨行星。
開普勒452b的軌道周期（一年）約為385天，接近地球上的一年365天。由于這顆系外行星與母恒星的距離適中，位于溫度適宜的宜居帶，科學(xué)家猜想它的表面可能存在液態(tài)水。
雖然新聞報(bào)道時(shí)大多稱之為“第二個(gè)地球”，但嚴(yán)格說來，開普勒452b是一顆圍繞與太陽相似的恒星運(yùn)行，與這顆恒星之間的距離適中的系外行星。所以，開普勒452b并不是嚴(yán)格意義上的“另一個(gè)地球”，只能說是迄今為止與地球最相似的系外行星。盡管如此，這仍然是搜尋“另一個(gè)地球”所取得的重要進(jìn)展。
根據(jù)估算，恒星開普勒452的年齡約為60億年，比太陽還要老15億年，圍繞這顆恒星運(yùn)行的開普勒452b的年齡也接近60億年。由于恒星的光度會(huì)隨著年齡增長而老當(dāng)益壯，逐漸增強(qiáng)，因此在開普勒452形成后的50億年內(nèi)，這顆系外行星接收到的光照強(qiáng)度應(yīng)該比地球弱，但如今開普勒452b接收到的光照強(qiáng)度已經(jīng)超過了地球。這說明隨著太陽年齡的增長，地球上接收到的光照強(qiáng)度也將逐漸增強(qiáng)。
此次發(fā)布會(huì)同時(shí)發(fā)布了11顆直徑小于地球2倍、位于宜居帶內(nèi)的系外行星，但其結(jié)果還需進(jìn)一步確認(rèn)。
探測冥王星的“新視野號”飛船是迄今為止飛得最快的深空探測器，如果讓它從現(xiàn)在開始趕赴開普勒452b，按照“新視野號”目前5.9萬公里/小時(shí)的飛行速度，飛到“第二個(gè)地球”需要約2709萬年，而人類在地球上的全部歷史也不過200萬年，看來有生之年你我是不可能去那里旅游的了。
系外行星：從科學(xué)猜想到地理大發(fā)現(xiàn)
我們知道，太陽系有八大行星，那么其它恒星也應(yīng)該有自己的行星系統(tǒng)。但這一設(shè)想直到二十多年前仍缺少實(shí)際觀測證據(jù)的支持，依然停留在科學(xué)猜想階段。行星本身不發(fā)光，它表面的反射光相對恒星而言是極為微弱的，因此行星常常被掩蓋在母恒星的光輝內(nèi)，要從距離地球達(dá)數(shù)百光年以遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)行星是很困難的。早在1855年就有天文學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但直到1992年，人類才首次確認(rèn)有質(zhì)量與地球相近的天體環(huán)繞著脈沖星PSR B1257+12（質(zhì)量為木星10.98倍的HD 114762 b于1989年被首次發(fā)現(xiàn)，是最早被確認(rèn)的系外行星）。由于并非所有恒星都有行星，因此系外行星的發(fā)現(xiàn)給了我們很大的驚喜。銀河系里面有上千億顆恒星，如果1%的恒星擁有自己的行星，則太陽系外的行星將達(dá)數(shù)十億顆。
系外行星觀測在最近幾年取得了重要進(jìn)展，截至今天（2015年7月24日），已確認(rèn)的系外行星達(dá)1935顆，屬于1225個(gè)行星系統(tǒng)，其中484顆系外行星位于多行星系統(tǒng)內(nèi)（數(shù)據(jù)來源：http://exoplanet.eu/catalog/）。系外行星的觀測方法也有新的突破，其中用凌日時(shí)間變分法發(fā)現(xiàn)3顆，脈沖星計(jì)時(shí)法發(fā)現(xiàn)18顆，直接成像法發(fā)現(xiàn)51顆，微引力透鏡發(fā)現(xiàn)34顆，徑向速度或天體測量法發(fā)現(xiàn)591顆，凌日法發(fā)現(xiàn) 1 179顆。開普勒望遠(yuǎn)鏡自2009年發(fā)射以來在太空開展的天文觀測，大大提高了系外行星搜索的效率，目前已經(jīng)探測到18 000顆可能的系外行星，其中262顆與恒星的距離不遠(yuǎn)不近，位于溫度適宜的宜居帶。
系外行星的探索具有重要意義。我們知道，太陽系是從一團(tuán)彌漫著氣體和塵埃等星際介質(zhì)的太陽星云逐漸凝聚、演化而來的。目前，太陽系已經(jīng)演化到了行星形成的晚期，但我們對行星形成的早期歷史并不清晰。通過系外行星搜尋，發(fā)現(xiàn)那些處于不同形成階段、不同類型的行星，有助于理解行星是怎么形成的，未來將向什么方向演化。我們的地球也是一顆行星，具有行星所共有的一些特征，系外行星的探索，有助于研究行星的形成和演化過程，更有助于預(yù)測地球的未來，這關(guān)于人類未來的命運(yùn)。
系外行星真的適合人類生存嗎
在很多新聞報(bào)道中，系外行星往往被稱為“超級地球”“最類似地球的行星”“第二地球”等，這似乎描繪了一個(gè)光明的前景，人類未來有可能移居到這些星球上去。但作為冷靜的探索者，我們需要思考這些系外行星是否真的像地球一樣，人類未來是否真的有可能移居到這些行星。
如果是短期登陸探訪，有很多太空探索的目的地可供人類選擇，因?yàn)槊荛]的登陸艙和厚重的宇航服可以保護(hù)我們。但如果要移居到另一顆星球，這就要求找到一個(gè)適宜人類長期居住的天體，這個(gè)天體必須具備更為苛刻的條件：
首先，要有大氣層的保護(hù)。以地球海平面的大氣壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)院里的高壓氧氣治療為1.4個(gè)大氣壓，珠穆朗瑪峰頂約為0.41個(gè)大氣壓。如果系外行星的大氣太稠密或太稀薄，人類的心肺功能都將難以承受。如金星表面是90個(gè)大氣壓，連載人登陸都無法實(shí)現(xiàn)，更不可能適合人類生存了。
除大氣壓外，還要擁有合理的大氣成分和比例。地球大氣的主要成分是氧氣和氮?dú)?，而且要符合一定比例。氧氣含量過高，人會(huì)發(fā)生“醉氧”，過低則會(huì)缺氧。但是，目前的探測手段還難以確定系外行星是否擁有大氣層，更難以判斷大氣成分。從太陽系的經(jīng)驗(yàn)分析，土衛(wèi)六的大氣是氮?dú)夂图淄?，木衛(wèi)二為純氧，金星大氣主要為二氧化碳，可能大多數(shù)系外行星的大氣成分主要為氮?dú)狻⒓淄?、二氧化碳等，根本不適合人類生存。除了氧氣，地球大氣層中的微量氣體也發(fā)揮了很大作用，比如臭氧過濾掉了對人類危害最大的紫外輻射。系外行星如果沒有臭氧層，人類患皮膚癌的概率將大大增加。
其次，要有液態(tài)水和適宜的溫度。水是生命之源，根據(jù)地球的經(jīng)驗(yàn)，生命的存在離不開水。有了水，才有可能形成生態(tài)系統(tǒng)，人與生物圈才能形成相互依賴、不斷進(jìn)化的生態(tài)系統(tǒng)，否則人類單獨(dú)是難以長期生存的。實(shí)際上，現(xiàn)有科技手段還無法證實(shí)系外行星上是否有液態(tài)水，只能根據(jù)系外行星與恒星之間的距離來估算行星上的溫度，并根據(jù)溫度范圍推斷是否有液態(tài)水的存在，并非探明真的存在液態(tài)水。即使系外行星與恒星的距離位于宜居帶內(nèi)，也并不能保證行星表面具有適宜的溫度。行星大氣層的密度和成分將顯著影響行星表面的溫度。
根據(jù)達(dá)爾文的進(jìn)化論，生命的演化需要經(jīng)歷漫長的歷史。太陽作為太陽系的母恒星，是一顆中等質(zhì)量的恒星，人類預(yù)測其壽命大約100億年?，F(xiàn)在太陽的演化已經(jīng)過去約50億年，地球的形成已歷經(jīng)了46億年。地球誕生后8億年才出現(xiàn)簡單的生命，而人類的出現(xiàn)則不過250萬年。換言之，太陽系誕生約50億年后才繁衍出高度發(fā)達(dá)的文明。在宇宙中，如果母恒星的質(zhì)量太大，其壽命就會(huì)比較短，它的行星就會(huì)來不及在母恒星的“有生之年”演化出相對復(fù)雜的生命。
再次，適宜居住的系外行星必須有一個(gè)巖石質(zhì)的表面，讓人類可以繼續(xù)生活在陸地上。由于系外行星的質(zhì)量越小就越難觀測到，所以早期發(fā)現(xiàn)的系外行星大多是木星那樣巨大的氣液態(tài)行星，并不適合生命生存。適宜居住的行星還要有一個(gè)完美的磁場，可以屏蔽來自恒星和恒星際的高能帶電粒子；這些行星必須已經(jīng)演化到了中年階段，內(nèi)部能量的釋放比較溫和，因?yàn)樘幱谘莼缙诘哪贻p行星往往會(huì)狂暴地釋放內(nèi)部能量，地震和火山爆發(fā)的強(qiáng)度和頻度太大，人類在這些自然災(zāi)害面前的生存機(jī)會(huì)將十分渺茫。
最后，系外行星所屬的恒星的能量釋放要比較穩(wěn)定，否則人類在恒星爆發(fā)的超級帶電粒子風(fēng)暴面前只能坐以待斃。行星系統(tǒng)要已經(jīng)演化到晚期階段，大量的小天體碎片已經(jīng)被大的行星吸積，行星際空間逐漸清朗，可以大大降低行星被小天體撞擊的幾率。
總之，人類之所以能在地球上生存，是因?yàn)榈厍虼┝藥讓颖Ｗo(hù)人類的防護(hù)衣。第一層是磁場，它屏蔽了大量高能帶電粒子，保護(hù)我們免受高劑量輻射的傷害；第二層是大氣層，它提供了人類呼吸所需的氧氣和植物生長所需的二氧化碳，其中的臭氧又過濾掉對人體有害的紫外線；第三層是水圈，水作為載體，促進(jìn)了地球各圈層之間的物質(zhì)循環(huán)和生物的新陳代謝。
系外行星：遙不可及的美麗童話
系外行星本身不發(fā)光，在遙遠(yuǎn)的、很亮的恒星附近很難直接觀測到，大多通過行星運(yùn)行時(shí)對恒星的擾動(dòng)來判斷。迄今還沒有辦法明確判斷系外行星是否有巖石質(zhì)的表面，是否有液態(tài)水，是否有磁場，大氣層中是否含有氧氣，更難以確認(rèn)系外行星是否真正與地球環(huán)境相似。
如果人類足夠幸運(yùn)，真的發(fā)現(xiàn)了一顆類似地球的系外行星，那我們是否有能力到達(dá)這顆系外行星呢？開普勒望遠(yuǎn)鏡最近發(fā)現(xiàn)了8顆系外行星，其中有3顆處于宜居帶，溫度范圍允許液態(tài)水的存在。其中比地球大12%的開普勒438B也一度被認(rèn)為最類似地球，距離地球475光年，公轉(zhuǎn)周期為35.2天，取代此前發(fā)現(xiàn)的開普勒186F，被認(rèn)為是最有可能接近地球環(huán)境的系外行星。另一顆類似地球的系外行星開普勒442B，距離地球1100光年，公轉(zhuǎn)周期為112天。以“新視野”號在借助木星引力加速后的峰值速度7萬～7.5萬千米/小時(shí)（相當(dāng)于19～20km/s，大于第三宇宙速度）估算，飛到開普勒438B需要684萬年，飛到開普勒442B需要1584萬年。所以在星際飛行理論沒有突破的情況下，如果依靠傳統(tǒng)火箭，不借助時(shí)空穿越，人類基本上不可能抵達(dá)這些系外行星。
行星系統(tǒng)的宜居帶。縱坐標(biāo)為母恒星質(zhì)量與太陽質(zhì)量的倍數(shù)，橫坐標(biāo)為行星到母恒星的距離與日地距離的倍數(shù)。
除了地球，我們別無所依
人類是在地球上繁衍進(jìn)化而成的，我們的身體、生產(chǎn)、生活都已經(jīng)適應(yīng)了地球的環(huán)境。就像世界上沒有兩片完全相同的葉子，宇宙中與地球一模一樣的星球幾乎是不存在的，所以如果移居到另一顆星球上生存，人類很可能就需要進(jìn)化成另一種生物。雖然地球并非天堂，也會(huì)面對超級太陽風(fēng)暴、地球磁極倒轉(zhuǎn)、小天體撞擊等天文災(zāi)難，也有地震、火山、海嘯等重大自然災(zāi)害，但即使我們對地球諸多不滿，它依然是我們唯一的生存家園。
我們尋找系外行星，我們希望登陸火星乃至移民火星，并不是因?yàn)槟抢锔用篮?，而是為了尋找人類未來的避難所。地球上的生物常常需要面對重大的災(zāi)難性事件，根據(jù)推測，地球上的生物大滅絕平均2600萬年發(fā)生一次。就像導(dǎo)致曾經(jīng)獨(dú)霸地球的恐龍滅絕一樣，這樣的災(zāi)難一旦發(fā)生，必將導(dǎo)致人類的滅絕。為了人類的火種得以延續(xù)，我們需要在宇宙中尋找避難所，這就是我們搜尋系外行星和開展深空探測的重要價(jià)值。但是，在星際飛行理論沒有質(zhì)的突破之前，在用于時(shí)空穿越的蟲洞還沒有成為現(xiàn)實(shí)之前，人類還不可能飛出太陽系，未來移居地的搜索只能局限在太陽系以內(nèi)。而在太陽系內(nèi)，火星是目前科學(xué)界公認(rèn)的最佳選擇。木衛(wèi)二、土衛(wèi)六可能會(huì)有生命存在，但那里并不適合人類移居。
地球上的戈壁和沙漠可以作為載人登陸火星前的野外訓(xùn)練基地。圖為美國猶他州沙漠。
載人登陸火星模擬圖。機(jī)器人和航天員將協(xié)同考察。
從太空回望地球，如果是冥王星的距離，地球是陽光照耀下的一個(gè)暗淡的藍(lán)色圓點(diǎn)。如果從太陽系外回望地球，地球就像是漂浮在空蕩蕩的宇宙中的一粒塵埃，相當(dāng)于太平洋中的一滴水。但恰恰是這個(gè)暗淡的藍(lán)色圓點(diǎn)、這粒塵埃、這滴水，正是人類唯一賴以生存的家園。在遍尋整個(gè)宇宙之后，我們遺憾地發(fā)現(xiàn)，地球仍是迄今為止太空中唯一適合人類長期居住的行星。保護(hù)地球，就是保護(hù)人類的未來。如果把人類看作一個(gè)大家庭，那么地球就是我們代代相傳的“稀世珍寶”，我們有義務(wù)把它完好無缺地傳給下一代。我們不能在地球上肆意地亂涂亂畫，把一顆千瘡百孔、傷痕累累的地球交給我們的孩子，這是每一個(gè)人的責(zé)任。
系外行星的想象雖然美好，但這美好的“遠(yuǎn)水”解決不了人類面臨的“近渴”。人類未來的命運(yùn)系于地球。
除了地球，我們別無所依。
聯(lián)系客服
