遥望远处“红日”升
—— 在红矮星周围寻找生命

文/谢 懿

夜空中有不少用肉眼永远也无法看见的恒星。这并非是因为它们太过遥远。事实上,有一些还是距离我们较近的恒星。之所以不可见,是因为相比其他恒星来说,它们较暗、较冷。然而,这些恒星却激起了天文学家的巨大热情,因为它们是搜寻地外生命的理想候选地。

难觅孪生地球
1995年,人类发现了第一颗太阳系外行星飞马51b。它大小和木星相近,环绕一颗类太阳恒星运转。到2009年3月开普勒空间望远镜发射升空时,地面望远镜已经发现了300多颗太阳系外行星。
开普勒空间望远镜的任务是在银河系寻找位于宜居带内的地球大小的行星。当行星从恒星前方经过时会导致恒星亮度下降,被称为凌星。通过观察这一现象,开普勒空间望远镜发现了超过2300颗已被确认的太阳系外行星,还有2000多颗有待确认。
最让人兴奋的是,开普勒空间望远镜发现了30颗类地球行星。这些行星的大小不超过地球的2倍,且位于其宿主恒星的宜居带内。其中开普勒-452b被认为是与地球最相似的行星。它的大小是地球的1.6倍,极有可能是岩质的。它的宿主恒星类似于太阳,比太阳年老约15亿年,稍大一点,也更亮一点。
即便如此,真正的孪生地球——位于与太阳年龄相仿的类太阳恒星宜居带内的地球大小的岩质行星——目前还难觅踪迹,于是科学家将目光转向了比太阳小得多(质量为太阳的7.5%~50%)也冷得多(表面温度一般小于4000开,太阳大约为5700开)的恒星——红矮星。

另类天体系统
位于类太阳恒星宜居带内的行星,公转周期约为1个地球年。受此限制,发生凌星的频率为每年一次。红矮星的行星有所不同。它们的轨道非常靠近宿主恒星,能看到凌星的次数也就更多。如一颗红矮星行星的轨道周期仅有10天,在这种情况下,每年至少能看到15次凌星。这使科学家获得更多数据,不仅可以确认行星的存在及其大小,还能研究它的大气层,从中寻找有关宜居性的最佳线索。
红矮星的另一优势是数量极大,占恒星总数约三分之二,其中包括距离地球较近的大部分恒星。根据开普勒空间望远镜数据的估计,它们中有四分之一到三分之一在其宜居带内拥有岩质行星。
2017年,天文学家在温度极低的恒星TRAPPIST-1周围发现了7颗岩质行星,其中3颗位于宜居带中。这一发现令天文学家感到震惊。因为根据模型,在这么相互靠近的轨道上不可能存在这么多行星;而且观测发现,它们的轨道周期之比接近整数比。
最外面的行星完成2圈公转时,紧邻它的行星公转了3圈,依次向内的其他行星转了4、6、9、15和24圈。这一奇特的规律应该会改变行星之间的引力关系,直至有两颗或多颗行星占据相同的轨道,直接导致它们之间发生碰撞,但这却并没有发生。
这个另类的天体系统带来了特别的希望。所有7颗行星都由岩石组成,而且其中6颗的大气层的主要成分都不是氢。未来的观测将会更好地确定这些行星的密度,由此确定它们是否富含挥发性气体,例如甲烷。如果确实存在这些气体,那这些行星上有生命存在的可能性就增加了。

下一代系外行星探测器
TRAPPIST-1是后开普勒时代的第一个惊喜。新的太阳系外行星搜寻计划都是为红矮星量身定做的。其中最高调的是美国国家航空航天局2018年4月发射的凌星太阳系外行星巡天卫星。它将搜索约20万颗恒星以寻找所有类型的太阳系外行星,其中许多是红矮星。该卫星的仪器针对红矮星发出的红光做了优化。
另一个地面项目将针对约500颗超低温红矮星寻找其凌星事件。该项目使用位于智利阿塔卡玛沙漠中一个由4架望远镜组成的阵列,已于2017年12月开始运转。美国国家航空航天局计划2021年发射詹姆斯·韦布空间望远镜。它搭载的仪器可以探测到红矮星行星大气层中的气体,例如二氧化碳。

阴阳行星
就在红矮星受到越来越多青睐的同时,也有质疑的声音。在红矮星周围寻找宜居行星兴许相对容易,但这些行星可能与地球截然不同,甚至无法真正承载生命。
一方面,极近的轨道会使它们浸浴在有害的辐射和恒星爆发中。另一方面,轨道太近会使得它们被潮汐锁定,始终只有一面朝向宿主恒星。这是由于恒星的引力在行星朝向其一面强于背面,随着时间推移,行星的自转周期与公转周期同步。它的一面会经历无穷无尽的白昼,另一面则是无休无止的黑夜。白昼一侧很可能因温度过高而变得不宜居,黑夜一侧则会因温度过低也不适宜生命存在。生命在这些“阴阳行星”上幸存的最佳希望,就在其永远处于曙(暮)光中的狭长区域内。
因此,红矮星周围的类地球行星也许并没有那么宜居。这意味着,不应该放弃在类太阳恒星周围对类地球行星的搜寻。
2018年初,有天文学家根据望远镜的灵敏度和红矮星行星宜居性的不利因素,采用经济学中的成本效益分析方法对最佳的搜寻目标进行了筛选。结果显示,如果想把探测到生命迹象的可能性最大化,那么质量为太阳0.8~1.5倍的恒星,是最佳的目标。
红矮星的拥护者并不气馁。他们指出,最新研究表明浓密的大气和行星的磁场可以抵御恒星风和辐射。至于潮汐锁定对行星宜居性的影响,只有确切观测过才能得出结论。总之,目前大部分的反对都是理论上的,缺乏观测证据。
新的太阳系外行星搜寻计划能揭示什么结果仍是未知。如果说过去20年的太阳系外行星搜寻有什么教训的话,那就是要解放思想。在不可能中发现可能,或许才是寻找地外生命的必经之路。
(本文作者谢懿为天文学博士,现供职于南京大学天文与空间科学学院)

5颗最奇特的太阳系外行星
巨蟹55e
巨蟹55e是一颗岩质行星,大小是地球的2倍,密度是地球的9倍。它每18小时绕一颗类太阳恒星公转一周,这意味着它到宿主恒星的距离只有水星到太阳的二十五分之一。天文学家最初认为,这颗高温且富含碳的行星内部必定大部分是由钻石和石墨组成的,但现在他们并不如此确定了。

罗斯128b
罗斯128b位于一颗低温红矮星的宜居带内,是迄今发现的与地球最相似的行星之一。它可能是岩质的,拥有适中的气候,温度估计20~60℃。此外,其宿主恒星相对宁静,增加了它宜居的可能性。

HAT-P-7b
HAT-P-7b是一颗大小为木星1.4倍的气态巨行星。它非常靠近其宿主恒星,因此被潮汐锁定,有一面始终是白昼,温度高达1900℃。早期的观测表明,其夜晚侧的大气含有气化的刚玉,它是组成红宝石和蓝宝石的矿物。

开普勒-7b
开普勒-7b是一颗气态巨行星。它比木星大得多,但密度只有木星的十分之一,这使之成为迄今所发现的密度最低的太阳系外行星之一。造成它低密度的机制仍然不明,但可以肯定的是,来自其宿主恒星的热量对它产生了影响。

开普勒-16b
开普勒-16b和电影《星球大战》中的塔图因星球一样,环绕两颗恒星公转;但它是一颗低温气态行星,不像塔图因星球那样宜居,并非是寻找地外生命的候选地。

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