连串系外行星被发现，增加寻找外星生命的机会

紫影

2017年2月22日，美国国家航空航天局（NASA）宣布，一个国际天文研究小组借助斯皮策太空望远镜和地面观测等方式，发现了7颗围绕矮星TRAPPIST-1运转的行星（图1），其中3颗已确定位于宜居带，可能含有液态水。这一酷似太阳系的行星系统（图2为TRAPPIST-1和太阳系中的行星参数对比），堪称迄今寻找外星生命的最佳地点，这是否意味着我们离发现第2个“地球”已为时不远？早在1855年，就有天文学家宣称发现了系外行星，但直到20世纪90年代，人们对行星的认识还仅局限在太阳系内。1992年，人类首次发现有质量与地球相近的天体环绕着脉冲星PSRB1257+12。1995年，天文学家用视向速度法发现了围绕主序恒星的第一颗系外行星51 Peg b。搜寻系外行星迅速成为当今科学研究的前沿热点。特别是近几年，系外行星观测取得重要进展，迄今为止，发现并确认的系外行星已超过3500颗。

图1 TRAPPIST-1 系统示意（图片来源：NASA）

图2 TRAPPIST-1 中行星和太阳系中的行星参数对比（图片来源：NASA）

1977年，美国在人类史上第1次发射了飞向外太阳系、探索外太空的宇宙飞船——旅行者一号和旅行者二号，并且让它们都带上了一张唱片，其中录制的内容，是用55种人类语言说出的：“行星地球的孩子向你们问好。”但是，对于特别想要找到宇宙中其他生命的人们来说，发射旅行者一号和旅行者二号这样的方法，实在是太慢了。
于是，就有科学家提出，希望用望远镜深入观测，除了太阳之外，其他恒星到底有没有行星呢？但这些恒星离我们实在太远了，而且它们的光芒又太亮，望远镜只能看得到这些恒星，根本不可能看得清其周围到底有没有行星在绕着它们转动。科学家们想出很多解决方法，其中视向速度法、凌星法、直接成像法、微引力透视法是主要的几种方法。比如，有的行星在绕着恒星转动时，会时不时地绕到恒星面前，这时就像发生了日食一样，恒星发出的光芒被这些捣乱的行星挡住一点点，我们只要注意一下恒星发出的光芒是否有时候会被挡住，就可判断它们身边是否有行星；还有一种方法是：有的行星长得很大，在绕着恒星转动时，引力会把恒星拉扯得有些抖动，这样也可以知道它们的身边是否环绕着行星。
开普勒太空望远镜由NASA下属的喷气推进实验室研制，它携带的最主要的科学仪器——光度计配备了一个直径为95cm的透镜。与哈勃望远镜主要用来拍摄星空图片不同，开普勒望远镜是世界上第1颗探测系外行星的航天器，通过观测行星穿越恒星的“凌日”现象搜寻系外行星。由于控制望远镜指向的反应轮故障，该望远镜已于2013年8月19日宣布终止寻找系外行星的任务。
此次观测到TRAPPIST-1行星系统的是斯皮策太空望远镜。斯皮策太空望远镜是NASA大天文台计划的最后一项任务。此外，大天文台计划还包括哈勃太空望远镜、康普顿伽马射线天文台、钱德拉X射线天文台这3台太空望远镜，分别从不同波段观察宇宙。斯皮策太空望远镜设计用于观测以热辐射为主的红外辐射，必须同时具备温暖和寒冷两个条件，才能正常工作。其中的低温望远镜必须通过液氦致冷，冷却到接近绝对零度（-273℃）；但航天器上的电子设备却需在室温下操作。斯皮策太空望远镜探测灵敏度高，使科学家得以窥探到可见光望远镜看不到的隐藏宇宙，包括形成恒星的托儿所、星系的中心和新形成的行星系统。红外观测将使天文学家看到太空中更冷的天体，如失败的恒星（棕矮星）、系外行星、巨分子云和有机分子，以及其他行星上可能存在生命的秘密。
此前发现的系外行星大多在1颗恒星周围发现1颗行星，而且主要是体积较大的类木行星，这次在1颗恒星周围发现了多颗类似地球大小的行星，技术上比较难。TRAPPIST-1行星系统的发现，真是应了“一根藤上七个瓜”，也许可以戏称它们为“葫芦娃”行星系统。比利时列日大学TRAPPIST系外行星项目主要研究人员米夏埃尔·吉隆表示：“这7颗围绕TRAPPIST-1运转的行星，是已知第一批围绕这种类型恒星运转的地球大小的行星。”
发现“葫芦娃”行星系统更重要的意义是，这7颗行星中有3颗都居于宜居带。由于太阳系里位于宜居带的行星只有地球和火星，而在这个行星系中则有３颗行星位于宜居带，说明太阳系外的宜居行星可能会比之前预计的多，这也增加了寻找外星生命的机会。
这已不是NASA第1次宣称“第二个地球”的存在，虽然类似TRAPPIST-1亮度的矮星在银河系中更为普遍，但TRAPPIST-1的3颗宜居带行星是否真的适合人类居住，还需要进一步研究，因为其主星并不是像太阳一样的恒星，而是一颗矮星，一般认为这类恒星的辐射比较强，其宜居带又靠近主星。真正寻找类太阳恒星的宜居行星，按照目前的探测技术（视向速度方法或者凌星方法等）还都非常困难。一是需要非常高的测光精度，二是长时间连续观测。这只有太空望远镜才能做到。不过，随着技术的突破，发现第2个地球可能只是时间问题。
中国在系外行星研究方面也有进展，2016年中国利用南极一个50 cm望远镜（AST3）首次批量发现了系外行星候选体。目前，正在建设中的西藏阿里天文台，也将于今年夏天可初步建成一个中小望远镜阵列，相信很快可以在国际系外行星搜寻的竞争中取得一席之地。作为我国重大科技基础设施之一，郭守敬望远镜（LAMOST）采用独特的创新设计，能在大视场中同时观测数千天体的光谱，是目前世界上光谱获取能力最高的望远镜。近几年来，LAMOST在开普勒太空望远镜的观测天区内得到了数万条光谱，其中包括数百个行星的宿主恒星。中国天文学家利用这些数据解开了太阳系外行星轨道偏心率的谜题。
目前世界上已发现多个系外行星，但如何到达仍然无解。以目前最快的航天器——探测冥王星的新视野号的飞行速度计算，新视野号在借助木星引力加速后的峰值速度为7万～7.5万km/h，如果飞到39光年外的“葫芦娃”星系，则需要57万年。所以，在星际飞行理论没有突破的情况下，如果不借助时空穿越，人类基本不可能抵达这些系外行星。
虽然以目前的技术手段无法抵达系外行星，但是类地行星和外星生命的话题依然热度不减，靠着天文发现，NASA也不断“上头条”。这次的发现科学意义并非特别重大，但是公众很感兴趣，具有极高的公众传播价值。NASA这种营造热点事件，以推动科学传播的做法，也值得中国科学界学习。
（责任编辑 王丽娜）
作者简介：郑永春，中国科学院国家天文台科学传播中心，主任/研究员。
注：本文发表在2017年第5期《科技导报》，欢迎关注。