探索宇宙外星行星有多昂贵？

伤我心太深

　　搜寻外星行星永远都是昂贵的。但创新性的解决方案正在证明，它不再会让银行破产。在过去的十年中，搜寻围绕太阳之外其他恒星公转行星的天文学家有很多值得庆祝的事情。期间已被确认的外星行星数量从大约50个猛增到了超过500个。尽管这些行星中没有任何一个和地球极为类似，但美国宇航局(NASA)于2009年发射的开普勒空间望远镜目前正在为我们送上来自遥远恒星的数百个候选体——其中一些可能会被证明确实和地球非常相像。

探索宇宙外星行星有多昂贵？

　　[图片说明]：外星行星探测卫星概念图。Lee Billings　文　Shea　编译

　　外星行星搜索本身已经非常成功，但搜索者们并不因此就能寻求数十亿美元的后续任务。由于被取消或者因为经济萧条和NASA詹姆斯·韦布空间望远镜(JWST)共同造成的空间科学经费和项目的大幅削减，诸如“空间干涉任务”或者“类地行星搜索者”这样雄心勃勃探测器的希望已经破灭。

　　作为回应，行星搜寻界已经想出了创造性的方法来使科学最大化、成本最小化。2008年由NASA和美国国家科学基金会共同委任的一个外星行星特别工作组发布了一份报告，支持搜寻外星行星新方法的研究。与等待发射昂贵的专用行星搜寻探测器不同，它要求天文学家推动廉价的地面巡天来发现围绕近距恒星的外星行星。这些恒星较距离远的更亮，因此也更容易被研究。人们希望，这些低成本巡天至少会发现几个可以供类似JWST这样未来空间设备研究的外星行星。这些设施将使天文学家能通过光谱来搜索外星行星大气中诸如二氧化碳、水蒸气以及可能的甲烷、氧和其他兴许能预示生命存在的痕量气体。欧洲空间局2010年发布的报告也几乎得出了相同的结论。

　　“外星行星就在那里，搜寻它们的代价相对低廉，”美国加州大学圣克鲁兹分校的天体物理学家、NASA/美国国家科学基金会特别工作组成员格雷格·劳克林(Greg Laughlin)说，“这是经济状况的必然结果。”

　　在天文学家已经提出的搜索外星行星的众多廉价方案中，有五个极为突出。


　　外星行星搜寻入门


　　在多种搜寻外星行星——围绕太阳之外其他恒星的行星——的技术中，到目前为止有两种最高产。


　　视向速度


　　视向速度是由于公转行星的引力作用而造成的恒星运动。通过加大(蓝移)或者降低(红移)恒星所发出光线的频率，这一效应可以被测量到。视向速度只能探测那些会在朝向或者远离观测者方向上拖拽宿主恒星的行星。而外星行星的确切轨道则很难被确定，因此视向速度测量只能让科学家获悉一颗行星公转所需的时间(轨道周期)、它的轨道和圆形所偏离的程度以及它的最小质量。视向速度对短周期、大质量的行星最敏感。


　　凌星


　　当一颗行星从其宿主恒星前方经过或“凌”的时候，它会使得恒星亮度出现微小但却可测量的降低。从地球上看到行星凌星的概率很低， 而且受到恒星直径和行星轨道半径之比的制约。小型恒星周围短周期的大型行星最有可能被观测到凌星，而且为了发现凌星需要对大量恒星进行巡天。凌星使得科学家可以得知行星的半径和它的轨道周期。有时当恒星所发出的光穿过或者被行星大气反射时，天文学家还可以研究这颗行星的大气。这会给出有关大气组成、温度和云结构的信息。

M型矮星凌星巡天(200万美元)

　　这一策略的核心是专注于靠近太阳系的低温、红色M型矮星。M型矮星不仅有很多很多——是银河系中最丰富的恒星，而且它们还要比太阳小得多、暗得多，质量不足太阳的一半。因此，任何一颗从M型矮星前方经过的行星，这个过程或称为“凌星”，就会比从更大的一颗恒星前方经过遮挡住更多的星光，进而更容易被发现(见“外星行星搜寻入门”)。凌星行星的轮廓相对大小也让望远镜能更容易地收集穿过其大气层的光线用于光谱分析。

　　第一个也是迄今最成功的对宜居行星凌M型矮星的搜寻工作是“M地球”计划，它由位于美国亚利桑那州霍普金斯山上惠普尔天文台的8架0.4米程控望远镜组成。不同于以往所有盯着固定富星天区的凌星巡天，“M地球”的目标是2,000颗近距M星矮星;只有其中一颗出现了凌星候选体之后，所有的望远镜才会同时一起观测它。该项目由美国哈佛大学的天文学家戴维·夏博内(David Charbonneau)领导，主要由现为美国加州大学圣克鲁兹分校博士后研究员的菲利普·纳兹曼(Philip Nutzman)设计。“M地球”在2009年公布了它发现的第一颗凌星行星，根据所围绕的M型矮星它被命名为GJ 1214 b，距离地球约13秒差距。如我们所知，这颗行星太大、太热无法承载生命，但计划运转3年的“M地球”计划仅花了最初的6个月就发现了它，它至今仍是最容易被研究的已知类地外星行星。去年位于智利的欧洲南方天文台(ESO)对GJ 1214 b进行的光谱研究显示，其高层大气要么极为烟雾弥漫，要么就是由水蒸汽组成的。

　　“‘M地球’表明，有了100万美元或200万美元这样相对适度的资金，你就可以打造出一个能够探测宜居带中超级地球的地面巡天，”夏博内说，超级地球指的是比地球更大、到其宿主恒星的距离使得它可以拥有液态水的岩质行星，“对这个问题的回答绝对值得远不止于此的努力。”

　　到2011年10月，夏博内和他的同事希望另一个“M地球”能在智利运转，在那里它可以看到从美国亚利桑那州无法看到的天区。其他几个M型矮凌星搜索计划也正在进行，特别值的注意的是位于智利的0.6米凌星望远镜和位于美国加州帕洛玛天文台1.22米的塞缪尔·奥欣望远镜。

　近红外光谱仪(500万美元)

　　虽然凌星是确定外星行星半径和轨道周期的好办法，但如果想了解更多的信息其他技术(例如光谱)就是必需的。
　　尤其重要的是，视向速度技术是行星搜索方法中目前最高产的。作轨道运动的行星会来来回回地拖拽其宿主恒星，使得恒星所发出光的波长出现周期性地移动;对这一变化的测量不仅可以独立地确认一颗外星行星的存在，还可以估计出它的质量。

　　该方法为专注于M型矮星提供了另一个很好的理由。地球绕太阳的运动会导致太阳在一年的时间里以大约每秒10厘米的视向速度产生轻微摆动——对于任何一个外星人天文学家而言这都是极难发现的信号。但是，如果一个地球大小的行星位于一颗M型矮星的宜居带中，由于极为靠近宿主恒星，它的视向速度信号会达到每秒1米，更容易看到得多。不幸的是，M型矮星所发出的最明亮辐射位于红外和近红外波段，因此这也就成为了行星猎人们必须要搜寻的电磁波谱区域——但天文学家还没有建造出这些高精度测量所需的红外光谱仪。所以，无数的M型矮星中只有接近太阳的少数几个已经被观测过用以寻找宜居的外星行星。

　　更糟的是，由于红外光子没有足够的能量来很容易地在现成的硅探测器中激发出电子，于是用于搜索行星的近红外光谱仪比光学的要贵出许多。于是，这些仪器依赖于用昂贵的材料(例如铟镓砷化物或汞镉碲化物)所制成的特殊探测器，而且还必须要低温冷却或者与热红外辐射背景隔绝。眼下最先进的近红外光谱仪是ESO的低温高分辨率红外阶梯光栅光谱仪(CRIRES)，造价约1,000万欧元(1,360万美元)。

　　不过，它的价格一直在下降。如果能获得足够的资金，几个主要的光谱仪计划可能在未来几年内就会问世。它们是利用西班牙卡拉阿尔托天文台德国和西班牙合作设备近红外阶梯光栅光谱仪(CARMENES)开展的卡拉阿尔托高分辨率M型矮星之外星地球搜寻计划、位于夏威夷的加拿大-法国-夏威夷望远镜上的近红外偏振频谱仪(SPIRou)和美国麦克唐纳天文台大型拼镶镜面望远镜上的宜居带行星搜索者。

　　激光频率梳(100,000美元)

　　另一项阻碍M型矮星行星发现的障碍则更为微妙：需要更好的方法来校准光谱仪。因宜居行星轨道运动造成的谱线微小变化可以很容易地被由仪器自身不稳定性所造成的涨落所混淆。显而易见的解决方案是生成一个永远可以和观测结果进行比较的参考光谱。但是，通常用于校准可见光视向速度巡天的光谱——由碘或钍-氩混合物产生——无法用于红外波段下谱线的校准。
　　现在正在研究其他许多可以用于校准的元素及混合物。但让行星猎人们最兴奋的是被称为激光频率梳的超高精度技术。这一装置的核心是激光，它能发射出可以被调制到大范围波段上的快速脉冲。如果画出这样一个波列的频率就是一系列清晰的等间隔波峰，就像梳子上的锯齿。这些脉冲会被送入光谱仪并且和原子钟同步，由此成为一个光谱测量的强大校准源。

　　各天文台正在光谱仪上测试激光梳。例如，2009年底和2010年初，一个由美国哈佛-史密松天体物理中心研制的激光梳被连接到了惠普尔天文台的一台可见光光谱仪上，用来对拥有行星的双星HD 189733的光谱测量进行校准。2010年中，在大型拼镶镜面望远镜上，由美国国家标准与技术研究所研制的激光梳被架设到了由美国宾夕法尼亚大学制造的近红外光谱仪上，对拥有行星的恒星仙女υ进行了视向速度测量。2010年12月，在欧洲南方天文台，由德国马普量子光学研究所研制的激光梳对一颗外星行星进行了视向速度测量，这是第一次获得了比之前由钍-氩校准更精确的结果。这些测试结果都还没有公布。如果一切顺利的话，激光梳将会在这个十年里惠及各大天文台的下一代光谱仪。

视向速度天文台(5,000万美元)

　　即使装备了激光梳，行星猎人们仍可能对恒星本身束手无策，因为它们的表面运动可以伪装成视向速度信号。“恒星会像一口钟那样的震荡，其表面会覆盖数百万个模式的震动，呈现出有点像在振动的鼓皮上放上沙子所出现的特殊图案，”美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家史蒂芬·沃格特(Steven Vogt)说：“这些震动模式中的一些不会在整个恒星的表面上被平均掉，会在你的观测中表现为噪声。”

　　对付这些噪声的方法是在数周内的连续观测夜对恒星10-15分钟的曝光进行平均。在ESO搜索外星行星的瑞士日内瓦大学的天文学家斯特凡·乌德里(Stéphane Udry)说，这个办法很有效。“我们对于用此方法跟踪的10颗近距恒星有一些样本，在其中三颗的周围已经发现了行星，”他说，“但这需要很多的观测，因为这些恒星不可能只含有一颗行星。因此，我们要覆盖多颗行星所有可能的周期，这需要时间。当你尝试着更精确地去测量时，它很快就会变得昂贵。”

　　事实上，沃格特说，降低其长期高昂成本的最好方法是在短期花更多的钱来建造专门的视向速度天文台。“真正的财富是观测夜，”他说，“这不是新技术;它不是激光梳或一些可以从M型矮星身上获得好处的新奇近红外光谱仪。拿对于NASA来说只是一笔小钱的5,000万美元，建造一架6-8米具有足够集光效力、能观测到大部分最近M型矮星的望远镜，为它安装一个好的光谱仪，然后让它在一年中的每个观测夜晚都只干这一件事情。你会得到从天空中倾泻而出的外星行星。”

　　沃格特和他的同事们建了一个演示项目：自动化行星搜寻者(APF)。它是一架位于美国加州汉密尔顿山利克天文台的2.4米程控望远镜，配有一个高效率的光谱仪。根据沃格特的说法，APF是专门建造来寻找近距恒星(包括天空中最亮的M型矮星)周围短周期岩质行星的。按照计划该项目已于2011年2月份投入使用。沃格特希望它能够迅速发现一批小型的岩质行星。

　　外星行星卫星(每个25万美元)

　　未来视向速度的最重要作用可能就是帮助研究和认证有希望的凌星发现。“凌星搜索是在宜居带中发现类地行星的最有利技术，”乌德里说，“我们不可能超过它。”

　　天文学家们已经开始集思广益构想“开普勒”的接班人，它将通过对近距恒星的凌星巡天来寻找可能有生命的外星行星。与此同时，一个更廉价的方案则是由美国麻省理工学院的天文学家莎拉·西格(Sara Seager)及其团队提出的“外星行星卫星”(ExoplanetSat)计划。这个想法建立在现有“立方卫星”(CubeSat)的框架之上。它们是微型化的卫星，由不同数量的边长为10厘米的立方体组成，旨在搭发射更大航天器火箭的低廉便车进入轨道。西格的计划需要几十个“立方卫星”，它们每一个都会盯着单独的一颗恒星并包含有一架小型望远镜和导星设备。在会干扰观测的地球大气层之外，这样的有效载荷可以探测近距类太阳恒星周围宜居带中地球大小行星的凌星。

　　西格承认，在工程上建造具有所需稳定性和热控制性能的“小卫星”是一项挑战。但她和她的团队希望能在2012年发射一个功能齐全的原型机，随后每个卫星的成本则可以降至25万美元——这绝对是空间科学任务的廉价批发部。“一方面，这似乎是危险的，因为目前估计在近距恒星的宜居带中发现地球大小凌星行星的概率是1/200，”她说，“另一方面，这些卫星是模块化的，相对便宜;发射一个风险较低且可能带来丰厚的回报。而基本上，它可能就是在天空中的M地球。”