如何看待「离太阳系最近的比邻星发现宜居类地行星，可能还有水」？

yangjia

2016年8月25日，天文学家在Nature发表论文宣布，在离太阳系最近的比邻星（就处于《三体》中描述的星系）发现了一颗宜居类地行星。这颗行星距地球4.2光年，很可能是离地球最近的一颗系外行星，而这颗行星竟然恰好就是处于宜居带中的类地行星，可能有液态水存在。 论文链接： <a href="http://link.zhihu.com/?target=http%3A//www.nature.com/nature/journal/v536/n7617/full/nature19106.html%23affil-auth" class=" external" target="_blank" rel="nofollow noreferrer"><span class="invisible">http://www.
作者：一点资讯

圆月小侠

简要看法：这是一次很靠谱的发现，然而是否宜居值得探讨，个人不是很乐观。

“离地球最近的宜居行星”
这的确是梦想成真。
（这是我的第一观感，仔细研读paper之后发现“宜居”二字有些一厢情愿了，包括nature文章自己也有些过于乐观）

2012年当我刚开始进入系外行星领域的时候，曾经“发现”过一次位于半人马座的系外行星，当时就因为信号太弱饱受争议，最终在2015年被人找出了数据处理过程中的漏洞，原作者也承认了这一点。

寻找地外生命，可以说是系外行星探测的终极目标，而这次的发现，无疑让这个目标离人类又近了一步。

先总结一下这次的发现，nature的标题 A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri     已经说得很清楚了，一个围绕比邻星的类地行星，并且处在温度适宜的轨道上。


Relative Sizes of the Alpha Centauri Components and other Objects (artist’s impression)

比邻星是一个红矮星，只比木星大一点，直径只有太阳的七分之一，表面温度自然也低很多，只有3000k，不到太阳的一半，黑体辐射单位面积功率跟温度成四次方关系，再考虑到表面积更小，所以宜居带的大小自然也要小得多。实际上这颗行星的周期只有11天，轨道半径更是只有0.05 天文单位，只有太阳半径的十倍多一点。据估计，这颗行星位于宜居带相对靠内的位置：

Proxima Centauri and its planet compared to the Solar System
先说说大家最关心的问题：这颗行星到底有多“宜居”？ 由于现有探测手段很难精确测定行星的轨道倾角，在使用径向速度法时，只能得知行星扰动在视线方向的投影，因而所知道的都是质量下限：1.27地球质量。根据行星形成理论，这种质量的行星基本只能是岩石行星，这可以说是在以地球为参照时，“宜居”的第一个条件。第二个条件自然是温度，从现有轨道数据看，表面温度是满足液态水的条件的。

Nature文章也提到，对于这种短周期行星，由于距离主恒星极近，宜居与否主要面临着如下几个问题：

1.潮汐锁定：距离恒星过近的行星容易因为引力场梯度产生潮汐锁定，（这个时候行星的质心会相比几何中心更靠近恒星，就像不倒翁一般）结果就像月球一样，只有一个面始终面对地球。这样一来这颗行星就不会有昼夜更替（当然半人马座的另外两颗恒星也会有些光亮，只是相对比邻星来说有些太远），相关研究可以参考http://arxiv.org/abs/1602.05176 。简单来讲行星会由于温度梯度产生全球性的气旋和云层，提高了表面反射率，行星也会相对“阴凉”一些。

2.恒星磁场：这个问题可能更严重，地球的双极磁场范围相当大，可以把太阳风的里的大部分带电粒子阻挡在几个地球半径之外，即使如此，一旦遇上太阳活动强烈的时期，地球还是会被太阳风吹拂，“像母亲的手狠揪着你”，极光固然好看，通信失灵也是很蛋疼的——要是离太阳太近的话，地球附近就变成了太阳磁场做主导，而我们的这颗比邻星个头不大，磁场却堪比万磁王，比太阳的磁场强度高上数百倍！行星自己的磁场一旦被恒星磁场压缩，结果可能是灾难性的：星风长驱直入，这就不仅仅是卫星电话信号变差的问题了，高层大气的气体分子会被电离，行星大气难以自保，尤其是水分子，一旦变成氢和氧，更轻的氢在同温度下会有高得多热运动速率，很容易逃逸到太空，火星之所以没多少水，大气压只有地球的1%，磁场必须背锅。另一方面，由于潮汐锁定，行星的双极磁场也会比较弱，更会加剧这个效应。nature原文说潮汐锁定的行星也会有强磁场来抵抗星风，我专门去看了所引用的那篇关于磁场的文章，只是说磁场强度可能不会弱，但由于缺乏双极分量，不太可能让星风偏离。今天新出的专门分析这颗行星的文章 https://arxiv.org/pdf/1608.06813.pdf 也提到行星本身的磁场不太可能主导星风对大气层的“吹拂”

3.恒星耀斑：对于红矮星这个问题尤甚，红矮星的恒星活动比较频繁剧烈，爆发起来光度变化接近一两个量级，虽然半人马座在动力学上相当稳定，不会出现三日凌空让大家脱水，可是光这颗恒星自己就够时不时的让这颗“宜居”行星瞬间从南极变成佛罗里达+德克萨斯。

4.恒星的高能辐射：紫外线和X射线。显然，生物大分子在这俩货面前都相当脆弱，而目前的研究表明，这颗行星目前受到的高能辐射强度比地球高两到三个量级，似乎也不是很乐观。The habitability of Proxima Centauri b

这些主要是公众和政府最关心的部分，对于系外行星研究人员，更重要的是这次发现的靠谱程度，2012年十月，同一个仪器也曾“发现”过半人马座的行星，然而最终被证伪。接下来我准备写一下发现的具体方法和数据。

关于这颗行星产生的径向速度信号，最早是在对HARPS和UVES两台仪器在2016年以前的数据分析之后发现的。

Detection of a Doppler signal at 11.2 d. : A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri : Nature : Nature Research

左上第一幅图是两台仪器2016年以前的数据分析结果，大致可以理解为拟合优度在周期=11.2天的时候出现了一个尖峰，但并不是很明显。为了搞清楚这个信号的真实性，ESO发起了所谓“暗淡红点”的计划（对应地球的“暗淡蓝点”），在今年的一月到三月的几乎每一个晚上，用HARPS进行了高精度观测，对应的是左下的图。两组数据综合指挥就是右边的结果，一个非常明显的尖峰，显著性非常高。

关于这两台仪器，都是利用高精度光谱测量恒星的视向速度扰动来发现行星，英文radial velocity，你只要记住RV就可以拿去和行星天文学家谈笑风生了。行星和恒星围绕公共质心运动，恒星的速度虽然小得多，但也足够产生可测量的多普勒频移。这个“可测量”的极限，目前差不多是0.5m/s。也就是说，理论上你在仪器前来回走动，它可以根据你肤色的变化推算出你走路的速度。

说到人类搜寻系外行星的明星仪器，除了Kepler卫星，就应该是HARPS了。RV测量的关键在于仪器稳定性，HARPS作为目前精度最高的仪器之一，可谓不惜工本，整个仪器都被放在了一个巨大的真空腔内，严格控制温度和压强（不可能做到100%真空，只能控制扰动）：


Advanced Image Search

然而行星的轨道周期都不短，所以仪器还要追求长期稳定性，也就是说，每次观测都需要有一个标准光谱作为对照，这是因为RV的数据分析都是sub pixel级别的：大家拍照的时候觉得照片的分辨率极限是单个像素大小，然而RV测量中对应的光谱频移差不多是千分之一个像素！即使是HARPS这样的设计，也必须有一个额外的光谱定标。之前提到的UVES中的U代表紫外，这是因为它使用了碘蒸汽的吸收光谱作为定标，长期稳定性不错，但是吸收线集中在紫外波段，对低质量恒星来说其实是有些“南辕北辙”。HARPS使用钍-氩空心阴极灯的发射光谱，可以覆盖大部分可见光谱，对这次的“暗淡红点”比邻星可以说是量身定制。（然而这种灯本身也有稳定性问题，HARPS似乎是利用长期的标准星定标+“标准灯”实现的）

2016年的数据虽然观测周期长，但因为观测频率过于稀疏，所以并不能很好的证认行星的存在。

2012年10月，同样是nature，同样是HARPS，也曾在半人马座发现过一颗近似地球质量的行星，周期只有短短的3.2天。Planet Found in Nearest Star System to Earth



这是当年的那次发现，每个绿点代表每次测得的多普勒频移，红点是对近似相位的绿点叠加得到的平均值，当时大家诟病的一点是，测量误差（红色误差棒）差不多和信号幅度（红色曲线）一样大了！其实更严重的问题是，在事先不知道周期的情况下，你是如何确定绿点的相位的呢？2015年一月，剑桥大学有人对这次“发现”的原始信号做了新的分析，按照原论文的方法，即使给一个随机扰动，最后也能得出3.2天的RV周期！原作者没有正确的使用窗函数进行时序分析，最后得出了不存在的假信号。
相关阅读：Poof! The Planet Closest To Our Solar System Just Vanished
Ghost in the time series: no planet for Alpha Cen B

相比之下这次的暗淡红点项目要严谨一些，除了光谱观测，还专门进行了同步的测光观测：红矮星出了名的不稳定，耀斑和爆发都比太阳频繁的多，这些都会影响RV测量的精度。当然，这次信号的“强度”也比之前的要好：

大家可以跟上图对比，这里的每一个点都是单一数据点，没有进行之前的“相位平均”，整体都可以看出一个明显的三角函数信号。所以这次发现本身的确是相当的solid，但是否宜居，我不抱乐观态度。

zero_river

谢邀。

这颗新行星——比邻星b的发现过程，其他回答已经讨论的很详细了，所以这里我来谈谈关于“宜居”这个话题。

先来看看关于这颗行星，我们知道些什么。

比邻星是距离我们4.2光年，是距离太阳系最近的恒星。它是一颗红矮星，质量为太阳的0.12倍，半径为太阳的0.14倍，温度大约是3000K（太阳表面温度约6000K）。它的年龄是48.5亿年，和太阳差不多（46亿年）。

比邻星b是一颗类地行星，质量在地球的1.27倍以上，半径在地球的1.1倍以上，距离比邻星0.0485天文单位，公转周期只有11天。

图片来自Proxima b’s star could be blasting away the planet’s atmosphere

比邻星b是通过径向速度法发现的，所以上面的数据也是通过径向速度参数估算出来的。当恒星和行星在引力作用下围绕共同的质心转动，恒星在远离我们的时候，像我们发出的光波长被拉长，发生红移；当它朝向我们运动时，它发出的光波长被压缩，发生蓝移。比较这两个时候的波长，我们就可以计算出恒星的旋转速度，周期，进而计算出恒星和行星之间的引力大小，行星的质量和恒星与行星之间的距离。




你也许注意到了，上面提到的行星质量和半径都是一个下限。如果地球恰好也在比邻星和比邻星b的轨道平面上，我们就可以把这个数据作为准确的数据了。然而，这个可能性微乎其微。可能性更大的情况是，地球和它们的轨道平面有一个夹角。


由于径向速度法告诉我们的只有恒星光波长的变化，我们对这个轨道面的角度一无所知。角度越大，行星的质量也就越大。通常（90%），这颗行星的质量不会超过3倍地球。所以，它可能是一颗超级地球。同时，角度越大，行星距离恒星也就越远，甚至可能在恒星的宜居带之外。

在这个位置上，它接收到恒星的能量辐射只有地球的65%。这样，它的平衡温度（equilibrium temperature）在-39摄氏度左右。在温度稍高的地区，液态水是有可能存在的。

再来看看我们不知道什么。我们不知道比邻星b是不是有足够的磁场抵御来自恒星风中的高能粒子，是不是有大气层，是不是有液态水，是不是...... 总之，我们目前知道的事情太少了。在这样的情况下，谈论宜居性还为时过早。

和像太阳这样的主序星比较，红矮星实在不是孕育生命的理想环境。由于质量太低，红矮星发出的能量辐射非常低，通常在太阳的3%以下。这样，红矮星系统中的宜居带就只能分布在离恒星很近的地方。这就带来很多问题。

第一，距离恒星太近导致行星被潮汐锁定。行星永远只有一面对着恒星，而另一面处于永恒的黑暗中。如果行星有足够的大气层（比如，0.1个大气压），空气流动就可以把热量带到黑夜半球去。此外，如果行星轨道偏心率很高，那么他可能形成像水星那样的共振轨道，比如，公转3圈的同时自转两圈，让整个行星表面均匀接受来自恒星的能量。如果没有共振轨道，我们可能就只能在行星的晨昏线附近的狭小区域寻找生命了。

第二，红矮星的稳定性远远不如大型恒星。有时候，红矮星表面会覆盖大量黑子，把能量输出降低到平时的40%以下。这种情形可能导致行星的全面冰冻（如果有水的话）。有时，红矮星又会在几分钟之内变得十分活跃，不但会向行星输出大量能量，还会产生很多高能粒子，侵蚀掉行星的大气层。这对行星的护盾——磁场，是一个严峻的考验。以地球的磁场强度，是无法在红矮星身边保持自己的大气层的。

这样看来，红矮星系统中的行星倒是和小说中的三体世界有些相似，虽然产生的原因不一样。

当然，红矮星还是有一些优点的。首先，红矮星的数目远远大于其他类型的恒星。数量大了，小概率事件发生的机会就大。说不定就已经有一些奇葩的生态圈成功的在红矮星身边安居乐业了。其次，由于燃烧缓慢，红矮星的寿命比其他类型的恒星长得多。在红矮星和它的行星的悠长的生命中，偶尔蹦出什么能够适应严酷环境的生命形式也很有可能。不过，这些优点放在比邻星b身上，好像并不怎么适用。

根据现有的数据来讨论比邻星b是不是宜居行星还早了点。人们希望看到的是下一步的证据——它是不是有大气层，如果有，它的大气构成是什么样的。如果能在它的大气中发现水蒸气，甚至氧气，那才是真正振奋人心的好消息。

远距离观察太阳系外行星大气层的技术现在已经有了。它的基本思想是这样的。当行星从恒星前方穿越时，会遮挡部分恒星光。而行星的大气层中的不同成分会吸收掉部分不同频率的恒星光，而让其他频率的光穿过。这样，我们只要比较恒星本身的光谱和从行星大气层中穿过的光谱，就可以分析出它的大气构成了。

另外，当行星消失在恒星背后的时候，行星本身的热辐射也被恒星挡住了。这时，我们也会观察到相应的变化，并从中分析出行星表面的一些信息。

比如，哈勃望远镜用这种方法从行星HD 189733b的大气层中发现了一氧化碳和二氧化碳。

图片来自http://hubblesite.org/hubble_discoveries/science_year_in_review/pdf/2008/probing_the_atmospheres_of_exoplanets.pdf

大气层的信息可以为我们提供关于行星的很多信息。如果大气层中有水蒸气，应该就是行星表面有液态水的一个证据（如果它在宜居带中）。 如果有大量氧气以及臭氧，那么这颗行星可能就是一颗生命星球了。这意味着行星上应该有一种可以持续产生氧气的机制，比如光合作用。但也可能是水分子在恒星辐射能量下分解产生的。而来自氧气的臭氧可以有效的抵挡紫外线，为行星上的生物圈提供保护。而甲烷可能意味着厌氧细菌类型的生命。二氧化碳则是大量火山活动的一个线索。

然而，我们很可能不会从比邻星b得到这样的数据。因为这种方法要求行星从恒星前面穿过，也就是说，地球基本上在比邻星b的轨道平面上。可以想象，这个可能性是非常低的（低于1.5%）。所以，在短期内（几年或几十年），我们应该不会得到关于这颗行星大气层的信息。

将要在2017年和2018年投入使用的TESS望远镜和James Webb望远镜将会给我们带来一些其他红矮星系统中的行星大气层的数据。也许到时候我们可以从中分析出一些关于比邻星b的信息。

sosoyoyo

左边的亮星是半人马-alpha，中文名南门二，全天最亮恒星之一，离我们最近的恒星系统，澳大利亚国旗上南十字左边的那颗大星，三体人和纳美人共同的故乡。

但我们看到的这颗亮星，是本次新闻的主角么？——其实不是。



这是南门二的“三体”系统。左下的太阳是用来比较大小的。可以看到，在大约太阳系的尺度上，南门二A和南门二B这两个跟太阳差不多大的恒星在一个有点椭的轨道上相互绕转。二者最近距离是不到10个天文单位，相当于土星轨道内侧，最远距离也就天王星以外，20几个天文单位而已。

翻译做比邻星的Proxima Centauri，也就是南门二C，这个三星系统中质量最小的一个成员。它也被画在了这张图上，但只有直径是按比例的——它距离南门二A、B有足足15000个天文单位，远远超出了这张图的范围——按比例画的话，它应该被画到几十米开外（具体视你的阅读设备尺寸而定）。

这就是本位面的“三体”。不存在什么三星混沌绕转、三体人生无可恋的情况。在上千倍的距离差别下，在比邻星的眼中，南门二A、B仿佛早已融为一体，其对比邻星产生的引力与单个质点并无什么太大差别。这是一个非常稳定的系统——事实上我们能看到的三星、多星系统几乎都是稳定的。不稳定的系统会在很短时间内瓦解，成员星要么相撞，要么被甩出系统外。其瓦解的时标与那些稳定系统存在的时标相比几乎可以忽略不计，因此我们在观测中也几乎不可能遇到这样的系统。

不像南门二A、B那样明亮温暖，比邻星是一颗相当暗淡的恒星。它的直径只有太阳的14%，质量只有太阳的12%——它的光度更是只有太阳的0.15%，这也是为什么离太阳最近的这颗恒星，竟只有11.1等的惨淡星等。

要在这样暗淡的恒星旁成为一颗宜居行星——正如本次Nature文章所发现的比邻星b那样——行星需要距离母星非常、非常近。

文章报告，比邻星b距离比邻星仅有0.05个天文单位，公转周期11.2天。这么近的距离，这颗行星几乎一定会无可救药的被母星潮汐锁定——只有一面始终面向自己的母星。这是人们一直在担心的，这样不幸的行星，还能有生命吗？



（这是我用SpaceEngine生成的比邻星b的模拟图，潮汐锁定的行星如果有大气，会由于稳定的温差而产生笼罩半个行星的巨大气旋。）

除了直观容易想见的冷热不均这个问题，还有很多理由让人怀疑红矮星旁潮汐锁定行星的宜居性：

1、红矮星温度低，光谱峰值偏红。比邻星的温度是约3000K，光谱峰值已经跑到了900多纳米。光合作用机制不得不利用能量更低的光子。而且由于光谱更加扁平，峰值不那么明显，跟地球人只需要适应很窄的波长范围就能获得高性价比的视觉不同，红矮星旁的生物需要能够适应宽的多的波长范围。
2、红矮星本身更不稳定。它的表面可能产生占比过大的黑子，使其亮度不时发生显著的变化。红矮星的耀斑爆发事件也比太阳猛烈得多，可使其全波段辐射增强4个数量级，相当于等效温度提升10000K。

（XMM-Newton X射线卫星观测到的比邻星的耀斑爆发事件，Güdel et al. 2002, 2004）

3、红矮星的磁场更强。太阳的磁场只有1高斯，而比邻星的磁场有600高斯。强磁场会压制其行星的磁层，甚至完全摧毁行星磁层对高能粒子的屏蔽作用，让太阳风长驱直入，威胁地表生命。而且在离母星很近的情况下，太阳风的剥蚀作用更显著，可能让行星过快的失去大气层。

不过相比发现行星本身所涉及物理图景的简明、技术的可靠，关于行星表面的事情还有太多的模型依赖，所以这一块实在是众说纷纭，不好一棍子打死，也不好一棍子打活。

这篇Nature文章自己表示，这部分的争论很激烈，比如：
1、只有一面晒太阳，固然温度会有差别，不过在全球大气和洋流的热量输运下，阴阳两面的温度差未见得会那么极端。
2、有些研究认为，行星磁场是可能强到阻绝红矮星强磁场、太阳风的威胁的。
3、比邻星b确实受到比地球强400多倍的X射线，但有研究认为由于X射线的光解导致行星大气中水分子流失的情况没有那么严重。

所以现在还不好肯定或排除比邻星b的宜居性。不过这些事，可能短时间内还说不清，且让学界的子弹再多飞一会儿。


（另一张比邻星b的SpaceEngine模拟图……）

Nature文章讨论宜居性这一段的最后一句话是：

and possibly robotic exploration in the coming centuries

希望我孙子的孙子在2154年见到人类探测器抵达比邻星的时候，家祭无忘告我一声。

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Q8612

谢邀，确实是非常令人激动的发现。这并不是发现了一颗地外行星，而是发现了一颗距离太阳系“最近”的地外行星。这让下一代所有的望远镜有了一个最重要的观测目标，同时这会让人们更加重视深空探测器，比如摄星计划这类项目的发展。
看过三体的朋友们可能还记得，和地球为敌的三体人来自于距离地球最近的三体恒星系统。爱好天文的朋友也许知道，刘慈欣的这个设定并非凭空虚构。距离地球最近的恒星被称作比邻星（Proxima Centauri)。这颗恒星1915年由Robert Innes在南非的天文台发现。它距离地球只有4.2光年。比邻星距离半人马座最亮的恒星alpha Centauri 非常近, 而后者就是大名鼎鼎的南门二，是全天第三亮星。在小型望远镜中，观测者很容易分辨出南门二实际上是双星系统，由Alpha Centauri a和Alpha Centari b。

南门二在夜空中的位置。 File:Position Alpha Cen.png

比邻星和alpha Centauri a,b这对双星系统构成三合星。在这个三体系统里，a和b很亮，靠的很近，而比邻星非常暗，是一颗红矮星，距离a和b很远，差不多有15000倍日地距离，可能要50万年才能绕a,b转一周。和小说里的三体系统不同，这个三合星系统的构型在相当长的时间里会是非常稳定的。
这次的新发现是在比邻星周围找到了一颗和地球差不多大（1.3倍地球质量）的行星。而且这个行星可能在所谓的宜居带内，也就是可能存在液态水。如果后者被确认的话，那么在未来，也许比邻星可以成为人类太空殖民的下一站（也许想太多了）。
事实上比邻星和alpha Centauri是否存在行星一直是地外行星观测的热门研究。主要的研究手段就是多普勒方法。如果一颗恒星存在绕转的行星，那么观测它谱线，应该可以发现这颗行星造成的周期性的扰动。

比邻星， Alpha Centauri A,B和太阳的大小比较

欧州南方天文台在智利的3.6米光学望远镜是做出这次发现的主要设备。这个尺寸并不算大，但是装备了HARPS系统以后，研究者有能力在1m/s的精度上，研究比邻星相对地球的（径向）运动。事实上，早在2012年，曾经有Nature文章称在Centauri b附近发现一颗行星。但在2015年进一步研究以后，研究者认为这个发现可能是一次对数据的误读。所以在本次的文章中，作者强调了数据的可靠性。并做了各种相应的检验。
作者称在2016年之前的数据中，他们就已经发现了一个11.2天的频率，预示着可能存在一个周期为11天左右的行星。2016年1-3月，他们又申为请了更密集的观测时间来研究这个系统，最终确认这个信号是真实的。
关于这个系统最有趣的一点是它处于宜居带中。在太阳系中，人们发现在彗星中存在大量的水冰成分，并认为这可能是地球上水的来源。在地外行星系统中，水也同样有可能通过类似的途径进入行星。但如果一颗行星没有足够强大的磁场，那么恒星的太阳风会逐渐剥离行星中的（气态和液态）水（比如金星）。另外，因为这颗新发现的行星距离主星很近，它收到的X-ray辐射会比地球上强400倍。所以作者用了一些篇幅讨论这些问题，并指出存在水还是有可能的。

轨道对比，左边的半圆是水星轨道的半径，太阳的宜居带也就是地球所在的区域还远比这个半圆靠外。右边的绿色带是比邻星宜居带的范围，新发现的行星就在其中。宜居带大小的差别是太阳和比邻星亮度的差别造成的。Credit:ESO/M. Kornmesser/G. Coleman