发现第二个地球?--《科学月刊》

作者: 辜品高 深云星际移民 2015-10-09

导读:今年,当天文界欢庆发现第一颗环绕类似太阳恒星的系外行星的二十周年纪念时(此行星称为飞马座51b,是一颗热木星。有关系外行星的科普故事,可参考中研院天文所的宇宙探险日志部落格),克卜勒(Kepler)太空望远镜的研究团队兴高采烈地对外宣布,他们首次发现一颗系外行星,不但环绕类似太阳的恒星,且地面温度可能容许有海洋存在。

今年,当天文界欢庆发现第一颗环绕类似太阳恒星的系外行星的二十周年纪念时(此行星称为飞马座51b,是一颗热木星。有关系外行星的科普故事,可参考中研院天文所的宇宙探险日志部落格),克卜勒(Kepler)太空望远镜的研究团队兴高采烈地对外宣布,他们首次发现一颗系外行星,不但环绕类似太阳的恒星,且地面温度可能容许有海洋存在。这颗行星名为克卜勒452b,半径约为地球半径的1.6倍,公转周期约384.8天,母恒星质量和太阳相当,因此被称作”第二个地球”。

凌星现象

“第二个地球”是如何被发现的呢?当系外行星轨道平面和我们观测的视线恰巧或几乎平行的时候,只要行星运转到我们和母恒星之间时,母恒星亮度就会因行星遮掩而些微减弱,此天文现象称为凌星(planet transit)。天文学家从减弱的亮度估算行星的大小,并从凌星的周期得知行星轨道的周期。克卜勒太空望远镜就是利用这种方法寻找系外行星,目前已发现超过一千多个行星,及四千多个疑似行星。

大多数情况下,从凌星只能得知行星的大小,无法直接测量克卜勒452b的质量,因此不易确认它是否确实为行星。例如,当小恒星环绕大恒星的食变双星,或是食变双星和一颗恒星在视线上靠得很近的情况,或是一个白矮星凌一颗普通的恒星等等,都可以模仿一颗系外行星凌星的现象。事实上,克卜勒452b早在2014年已被发现而成为疑似行星的一员。天文学家审慎地利用消去法一一排除上述非行星的可能性后,在今年接受它为一颗行星。

克卜勒452b的可能环境

克卜勒452b的半径介于地球和海王星的半径之间(海王星约地球4倍大),在外行星的分类上属于所谓的超级地球,但在太阳系并无类似行星可供比较。所以当天文学家想要大胆宣称这行星是”第二个地球”时,遭遇到了一个棘手问题:”它的内部结构和大气成分到底是比较像地球,还是像海王星?”如果较像海王星,大气就会充满较浓厚的氢与氦,并包覆在冰和岩石所组成的中心核之上,与地球环境大不相同。根据加拿大籍美国天文学家罗杰斯(Leslie Rogers)统计估算,小于1.6地球半径的系外行星大概都是岩石行星。这个结果使大小恰好为1.6地球半径的克卜勒452b陷于尴尬的情况。严格来说,克卜勒452b约有50~60%的机率是岩石行星。

假设乐观一点,将克卜勒452b视为具有海洋的”第二个地球”。但另一个问题出现了,克卜勒452b的母恒星质量虽和太阳差不多,但年龄比太阳(45亿年)大约多15亿年。因为主星序的恒星会随年龄增长而热辐射增强,所以估计克卜勒452b目前所受到来自母恒星的辐射,比地球所受到的太阳辐射强约10%。或许它的过去环境比较适合长期生命的演化,但现在它的海洋遭受较强的恒星辐射加热而开始大量蒸发。蒸发的水汽是一种温室气体,所以它可能受到比目前地球更严重的暖化困扰。天文学家将液态水能在类地行星表面存在的轨道区带称为适居带(habitable zone),克卜勒452b目前可说位在适居带的内侧,在未来20~30亿年内,它会随着母恒星的辐射增强,表面温度越来越高,海洋完全被蒸发,逐渐离开适居带。

困难重重的验证方法

以上所有对克卜勒452b的描述,完全根据它的半径、所受的母恒星辐射、模型推论等,乐观地认为它是”第二个地球”。但如何验证它真的具有类似地球的环境?天文学家通常仰赖从天体发出的辐射,分析光谱来了解其成分和物理环境。但目前要直接观测到来自系外行星的微弱辐射是非常困难的,因为行星辐射全被母恒星的光给吞噬掉了。因此,天文学家想出一种间接办法以获知行星的光谱。在凌星发生时,母恒星的光会穿越行星大气,部分的光被吸收后造成更多或更深的光谱线,从中可得知大气成分,譬如氧气、水汽、二氧化碳等。藉由这些成分,便能揣测该行星是否真的在适居带,或进一步推断是否有疑似生命的证据。天文学家已利用此观测方法解析某些凌星的类木系外行星大气的成分。

不幸的是,此方法难以用于克卜勒452b的凌星观测上。主要原因是此行星系统离我们有1400光年之遥,母恒星亮度相当黯淡,再加上它的凌星减弱的亮度不大,要从微弱的凌星光谱中找寻被一层薄薄大气吸收的光,无非难上加难。通常天文学家会利用多次的凌星观测以累积观测数据,即累加星光的强度来增强信号。但对克卜勒452b而言,大约每385天才会凌星一次,真的是太久了。即使在无云无尘的理想环境下,使用哈柏或下一代的詹姆斯韦伯(JWST)太空望远镜(口径较大集光力较强)观测,也难以侦测其大气成分。最著名的例子是,哈柏太空望远镜破纪录地花60个飞行轨道的时间,观测另一个超级地球GJ 1214b的凌星光谱。GJ 1214b约为2.7倍地球大小,距离我们仅约42光年,凌星光谱变深程度也较大。即便如此,还是只得到一个没有谱线的平滑光谱!

开拓新探险方向

因为要证实”第二个地球”是如此困难,天文学家将以观测太阳系附近的红矮星(相当于较小而冷的太阳)的凌星为主要方向。因红矮星的数量极多,离太阳系较近的也较亮;半径较小,所以行星凌星的亮度变化信号也较深;再加上适居带轨道较小,凌星的周期大约20~40天,可在短时间内累加数次凌星光谱的信号,使得天文学家有更高的机率找到更多的类地行星。事实上,目前已发现了许多环绕红矮星适居带的超级地球。如果天文学家够成功地完成这一步,下一阶段就是利用直接观测行星的方法,类似过去已停止发展的类地行星寻找者(Terrestrial Planet Finder)和达尔文等太空望远镜计划,或利用下一代30米以上的地面大型望远镜,利用日冕仪等装置遮住强大恒星的光,以观测离太阳系较近,但类似克卜勒452b行星的微弱大气光谱。

甫退休的克卜勒太空望远镜计划主持人布洛克(William Borucki)于今年荣获邵逸夫天文奖。早在1980年代起,他就多次向NASA提出太空凌星望远镜的提案以寻找第二个地球,但一直被认为不可行而遭拒。今年恰巧发现了克卜勒452b,对他来讲应是无比的欣慰。布洛克对他信念的坚持,就像400多年前克卜勒对行星运转方式的坚持。这得来不易的科学结果将持续推动系外行星的研究,终究让我们能够回答人类对宇宙最基本且深层的问题:在宇宙中有第二个地球存在吗?

作者/辜品高(德州大学奥斯汀分校物理博士,曾担任Nature等国际期刊、NASA和科技部研究提案的评审。曾任国立台湾师范大学兼任助理教授,现任中央研究院天文所副研究员)

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