人類首次在宜居帶行星上發(fā)現(xiàn)水？

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9月11日，《自然 天文》雜志發(fā)表了倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）一組天文學(xué)家的最新研究成果，他們?cè)谝活w名叫K2-18b的行星上發(fā)現(xiàn)了水蒸氣存在的跡象。作為人類已知的第一顆有水且位于宜居帶的超級(jí)地球，這些吸人眼球的關(guān)鍵詞背后，到底意味著什么呢？

K2-18b藝術(shù)想象圖 圖片來源：UCL

**一、激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)：

1、兩個(gè)偉大空間望遠(yuǎn)鏡的結(jié)晶**

現(xiàn)代天文學(xué)的飛速發(fā)展離不開望遠(yuǎn)鏡的功勞，410年前，伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡指向星空，將人類的視野望向了宇宙更遠(yuǎn)更深處，從那時(shí)起，天文學(xué)家得以窺探更多用肉眼無法企及的宇宙奧秘。

這次的發(fā)現(xiàn)也是基于兩個(gè)偉大空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)獲得的，可以說是二者成果的結(jié)晶。其中一臺(tái)是目前發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)目最多的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡，在已確認(rèn)的總共4000多顆系外行星中，開普勒自己就貢獻(xiàn)了一半以上（在文章《搜尋下一個(gè)地球：新兵亮劍》中，我對(duì)開普勒空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行過介紹http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201804/201804/t20180420_30518.html）。系外行星K2-18b的名字就來源于開普勒望遠(yuǎn)鏡后期的K2計(jì)劃。它在2015年最先發(fā)現(xiàn)了K2-18b這顆位于獅子座的系外行星，隨后被地面望遠(yuǎn)鏡所證實(shí)。由于K2-18b位于潛在宜居帶內(nèi)且“信號(hào)”較強(qiáng)，因而受到了眾多天文學(xué)家的格外關(guān)注。

開普勒空間望遠(yuǎn)鏡 圖片來源：NASA

如果說開普勒的貢獻(xiàn)是在茫茫星海之中找到了K2-18b的存在，那么另一個(gè)家喻戶曉的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，則是為探測(cè)其大氣中的水蒸氣提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。哈勃配備的寬視場(chǎng)相機(jī)（WFC）可以在紅外波段拍攝天體光譜。在2016-2017兩年的時(shí)間里，哈勃對(duì)K2-18b和它的主星K2-18組成的系統(tǒng)進(jìn)行了9次觀測(cè)，每次盯著它們看6.5小時(shí)。根據(jù)美國宇航局NASA運(yùn)行哈勃的年度經(jīng)費(fèi)推算，單單為了觀測(cè)K2-18b，就花費(fèi)了高達(dá)數(shù)十萬美元。不過這錢也砸出了響，正是基于哈勃長時(shí)間高質(zhì)量的觀測(cè)，才確保了發(fā)現(xiàn)水蒸氣的可能。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 圖片來源：NASA

2、一套復(fù)雜精細(xì)的分析過程

眾所周知行星本身不發(fā)光，太陽系內(nèi)的八大行星由于距離較近，我們還可以看到。但是我們無法直接探測(cè)到124光年外的K2-12b，它實(shí)在是太遙遠(yuǎn)太暗弱了，更不要說研究它大氣里的水蒸汽了。不過科學(xué)家還是通過一系列的“神操作”實(shí)現(xiàn)了水蒸氣的探測(cè)。

首先，無法直接看到行星，但可以看它繞轉(zhuǎn)的恒星。通過觀察行星繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)于恒星遮擋導(dǎo)致地亮度變化，可以發(fā)現(xiàn)行星的存在，這就是著名的凌星法，跟金星凌日是一個(gè)道理。

凌星法示意動(dòng)畫 圖片來源：NASA

在行星凌星過程中，如果不是只看單一的亮度變化，而是分析不同波長范圍的亮度變化，跟把太陽白光拿三棱鏡色散成七色光類似，就有了凌星時(shí)的光譜。當(dāng)恒星光穿過行星大氣時(shí)，行星大氣中不同的原子分子會(huì)吸收特定波長的光，從而在光譜中留下自己的“指紋”信息，被稱為透射光譜。通過分析行星凌星時(shí)的透射光譜，就可以捕捉到行星大氣中水蒸氣、氫氣、氮?dú)獾鹊闹虢z馬跡。

透射光譜示意圖 圖片來源：Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit

方法說起來不難，但受限于哈勃的探測(cè)能力，對(duì)于遙遠(yuǎn)、暗弱、個(gè)頭又小、大氣中各種成分又不明的行星來說，要想成功探測(cè)到各種氣體信號(hào)，是困難重重?？茖W(xué)家還為此專門發(fā)明了一種被稱作空間掃描觀測(cè)的方法，來提高光譜的信噪比。后續(xù)數(shù)據(jù)處理則需要經(jīng)過細(xì)致的改正定標(biāo)等，才能最終提取出凌星發(fā)生時(shí)行星在不同波段處的信號(hào)。將這些信號(hào)與理論的行星大氣模型進(jìn)行比對(duì)，最終確定行星大氣可能的成分和大概的比例。

3、兩組獨(dú)立研究的相互印證

利用專門開發(fā)的數(shù)據(jù)處理程序和細(xì)致的分析，英國倫敦大學(xué)學(xué)院Angelos Tsiaras帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)最終在K2-18b的透射光譜中發(fā)現(xiàn)了水蒸氣存在的痕跡。他們?cè)?018年5月底將結(jié)果以論文形式投給了《自然 天文》雜志，但是直到一年多以后，論文才被正式接受，幾天前才以快報(bào)形式正式發(fā)表。對(duì)于一篇快報(bào)文章來說，這中間耽擱的時(shí)間可不短。其中很大的一部分原因，就是這一重要結(jié)果的確認(rèn)，需要等待同行的審閱，并且要有其他工作的驗(yàn)證。

由加拿大和美國科學(xué)家組成的另一個(gè)獨(dú)立研究小組，對(duì)于哈勃拍攝的同樣數(shù)據(jù)，結(jié)合其他望遠(yuǎn)鏡的更多數(shù)據(jù)，通過他們自己的分析處理，也確定了K2-18b大氣中水蒸氣的存在，這就證實(shí)了英國團(tuán)隊(duì)的結(jié)果。只不過加美團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)晚了一步，沒能夠被媒體大眾所熟悉。

正是有了先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)備為基礎(chǔ)，科學(xué)家巧妙的觀測(cè)方法和細(xì)致的處理分析為保障，加上兩個(gè)互相獨(dú)立團(tuán)隊(duì)結(jié)果的相互印證，才使得人類第一次在宜居帶行星上找到了水的蛛絲馬跡。

那這一發(fā)現(xiàn)是否意味著我們離證實(shí)外星生命更進(jìn)一步了呢？恐怕還不能高興的太早。

二、離“可以移民的第二個(gè)地球”還很遙遠(yuǎn)：

很多讀者看到新聞可能就會(huì)浮想聯(lián)翩，有水宜居，那就可能有生命??！有生命，說不定就可以演化成高級(jí)智慧生命，會(huì)不會(huì)跟地球接觸？或者我們可不可以移民到那里去?

**很多時(shí)候，科學(xué)發(fā)現(xiàn)和我們美好的想象之間還差著十萬八千里。**大家先冷靜下來，看完下面的三個(gè)不等號(hào)就知道了。

1、宜居帶 ≠ 一定宜居

位于宜居帶內(nèi)的K2-18b一定宜居嗎？其實(shí)所謂的宜居帶，是一個(gè)較為寬泛的概念。根據(jù)恒星向外發(fā)光發(fā)熱的強(qiáng)度，可以圈定一個(gè)行星距離恒星的距離范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)的行星，其表面溫度適宜能夠支持液態(tài)水的存在，就稱為宜居帶。

不同類型恒星的宜居帶（綠色部分表示） 圖片來源：NASA

根據(jù)推測(cè)K2-18b表面溫度可能在0度到40度之間。雖然K2-18b恰巧落在了宜居帶內(nèi)，但K2-18b圍繞的恒星與太陽迥異。K2-18是一顆溫度比太陽低很多的M型矮星，它雖然沒有太陽熱，個(gè)頭質(zhì)量也小，但卻很可能比太陽暴躁得多：其色球?qū)踊顒?dòng)劇烈，不時(shí)會(huì)有巨大的耀斑爆發(fā)，向外拋射各種高能粒子。通俗點(diǎn)說，它就像“小哪吒”一樣，時(shí)不時(shí)爆發(fā)一下把周圍搞得亂七八糟。此外，K2-18b和它的距離更近，只有日地距離的七分之一。我們地球的情況比它好得多，還必須要靠磁場(chǎng)和大氣層保護(hù)，才能抵御很多太陽的輻射攻擊；K2-18b更近距離得面對(duì)這樣一個(gè)大魔王，顯然其宜居性要打一個(gè)大大的問號(hào)。

K2-18b的主星有可能像小哪吒一樣暴躁 圖片來源:《哪吒》劇照

2、超級(jí)地球 ≠ 地球

質(zhì)量在1-10倍地球質(zhì)量之間的系外行星，由于比太陽系的冰巨星（天王星海王星）質(zhì)量小一些，在太陽系內(nèi)并沒有合適的行星與之對(duì)應(yīng)，科學(xué)家就給它們起了個(gè)“超級(jí)地球”的名字。K2-18b質(zhì)量是地球的8倍多，半徑是2.7倍，顯然個(gè)頭體重都比地球大不少。所以這個(gè)超級(jí)地球跟我們地球還是很不一樣，大家都知道超人和人還是有區(qū)別的。這也難怪Angelos Tsiaras 在接受媒體采訪時(shí)都一再強(qiáng)調(diào)**：“K2-18b不是地球2.0，它比地球重很多，大氣組成成分差別也很大！”**

類似“超人”的超級(jí)地球 圖片來源：圖片來源： JerryOrdway

3、有水 ≠ 有生命

上文提到，發(fā)現(xiàn)水經(jīng)過了一系列復(fù)雜的分析過程。根據(jù)大氣模型與觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，與數(shù)據(jù)匹配較好的三種大氣模型中都有水的存在，統(tǒng)計(jì)學(xué)上的置信度也很高。但是受限于數(shù)據(jù)精度，具體到水的含量則從0.01%到50%不等。換句話說，K2-18b大氣中，最樂觀的情況下，可能有一半的水蒸氣，但也很有可能水的含量微不足道，絕大多數(shù)是氫氣、氦氣和氮?dú)狻６移渌Ｒ姎怏w如甲烷氨氣等，現(xiàn)有的設(shè)備壓根探測(cè)不到，也就不排除它們可能存在從而擠占水蒸氣比例的可能。

此外，雖然水是生命之源，是普遍認(rèn)知上生命存在的必要條件，但水的存在并非生命存在的充分條件，更多其他物質(zhì)環(huán)境以及生命演化所需的苛刻條件疊加在一起，才可能孕育出生命。就像英國團(tuán)隊(duì)自己所評(píng)價(jià)的那樣，“我們的發(fā)現(xiàn)雖然激動(dòng)人心，但這絕非表明發(fā)現(xiàn)了生命！”

三、不失為好的開始：

迄今為止，我們腳下的這顆宇宙中的“暗淡藍(lán)點(diǎn)”，依然是目前已知唯一存在生命的星球，K2-18b上水的含量還不得而知，是否真的有生命更是難以知曉，但這次的發(fā)現(xiàn)卻不失為一個(gè)好的開始。

天文學(xué)家從第一次發(fā)現(xiàn)太陽系外行星，知道除了八大行星以外還有其他行星存在；到現(xiàn)在通過開普勒望遠(yuǎn)鏡的結(jié)果，推斷系外行星在宇宙中跟我們看到的恒星一樣普遍，只用了短短24年的時(shí)間。從第一次在木星大小的系外行星上探測(cè)到水，到今天能夠在宜居帶的超級(jí)地球上發(fā)現(xiàn)水的存在，也只花了12年?？萍嫉倪M(jìn)步使得系外行星領(lǐng)域的新成果層出不窮。

2021年，接替哈勃的新一代太空望遠(yuǎn)鏡——詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）將要上天，歐洲專門用于系外行星大氣研究的ARIEL望遠(yuǎn)鏡也計(jì)劃于2028年升空。屆時(shí)，更高的探測(cè)能力和更寬的光譜覆蓋范圍，將會(huì)揭開K2-18b中水蒸氣的確切含量和更多的大氣組成。

JWST（左）和ARIEL（右）望遠(yuǎn)鏡 圖片來演：NASA/ESA

人類目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)百顆超級(jí)地球，未來也會(huì)有更多跟地球類似的行星被找到，新一代空間望遠(yuǎn)鏡使得研究更加暗弱的系外行星大氣成為可能，更大樣本的觀測(cè)將幫助人類理解宜居帶行星的組成和氣候，離推斷其表面是否孕育生命，也將更進(jìn)一步。

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