又雙叒叕發(fā)現(xiàn)新宜居星球？“地球2.0”新人出道

作者：乘涼（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）

文章來(lái)源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

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宇宙冷漠而又磅礴，面對(duì)浩瀚的星海，相信很多人都有過(guò)思考，地球是否是孤獨(dú)特別的那一顆呢？光年之外，是否真的有其他文明的存在？截至2020年7月，人類發(fā)現(xiàn)了有3,163顆恒星擁有自己的行星，總共證實(shí)的系外行星數(shù)量有4,281顆。對(duì)太陽(yáng)系之外的探索，不僅僅是為了“尋找地球2.0計(jì)劃”，更是為了探尋可能存在的太空文明。

最近，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系之外的一顆行星，也許會(huì)是“地球2.0”的有力競(jìng)爭(zhēng)者。

（地球2.0的暢想圖 圖片來(lái)源：NASA）

宜居星系的主角恒星

太陽(yáng)系的鄰居中，離地球最近的是距離我們4.3 光年外的比鄰星。視野繼續(xù)向外拓展，周圍10 光年內(nèi)的恒星有13顆。不過(guò)按照目前的探索結(jié)果來(lái)看，僅發(fā)現(xiàn)了四顆星旁有繞轉(zhuǎn)的系外行星。這次的主角是恒星GJ 887（又名Lacaille 9352）,它距離我們10.74 光年，也是一位離我們相當(dāng)近的鄰居。

太陽(yáng)系鄰居分布圖，紅色方框標(biāo)記的就是本次的主角 （圖片來(lái)源: wikipedia.org）

雖然距離上比比鄰星遠(yuǎn)不少，但恒星GJ 887在夜空中的表現(xiàn)卻出色多了。相對(duì)于11.05等暗淡的比鄰星，觀測(cè)者用肉眼所看到的恒星GJ 88亮度為7.34視星等。視星等的數(shù)值越小亮度越高，反之越暗。人眼在夜空環(huán)境良好的情況下可以看到6等星，雖然還要暗一些的GJ 887注定肉眼無(wú)法直接捕捉，但是夜空晴好的時(shí)候，通過(guò)雙筒望遠(yuǎn)鏡就很容易發(fā)現(xiàn)它。

GJ 887在天空中的位置（天文學(xué)中HD 217987 、 CD-36 15693、HIP 114046等也是它的編號(hào)）（圖片來(lái)源：Stellarium 軟件截圖）

與正值壯年的太陽(yáng)不同，恒星GJ 887是一個(gè)步入耄耋之年的紅矮星。就目前的數(shù)據(jù)來(lái)看，它應(yīng)當(dāng)是天空中最亮的紅矮星了。相對(duì)于太陽(yáng)表面5000多攝氏度的高溫，其表面溫度只有3,400多度。它的質(zhì)量只有太陽(yáng)的一半，其半徑也只有太陽(yáng)的46 %。

太陽(yáng)和 GJ 887的對(duì)比（圖片來(lái)源：NASA）

為什么把目光指向這顆星？

恒星的分布其實(shí)不是隨機(jī)的，而是集中于顯示恒星演化過(guò)程的赫羅圖從左上角至右下角的主序帶上?？蒲腥藛T在探索系外行星時(shí)，喜歡把目標(biāo)行星選擇為太陽(yáng)這類處于主序星階段的恒星，因?yàn)橹餍蛐菭顟B(tài)比較“穩(wěn)定”。因此，位于主序星宜居帶上的系外行星相對(duì)來(lái)說(shuō)宜居的可能性更大一些。

可是從比例來(lái)看，宇宙中和GJ 887這樣同屬于紅矮星的恒星比例要高一些。就拿我們銀河系舉例，數(shù)量最多的恒星就是紅矮星了，所以發(fā)現(xiàn)很多繞著紅矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星也不足為奇。我們熟悉的比鄰星就是一顆紅矮星，我們?cè)?016年和今年的四月份相繼確認(rèn)了它的第一顆和第二顆行星的存在。

比鄰星的兩顆行星暢想圖（圖片來(lái)源：NASA）

但是有個(gè)小問(wèn)題，附屬于紅矮星的行星想要變宜居的條件要比主序星苛刻一些。一來(lái)是因?yàn)榧t矮星相對(duì)較冷，星球上想要保持合適溫度就要離母星近一些，萬(wàn)一太近了，就容易被潮汐鎖定。這樣行星的一面將會(huì)面臨永久處于燒烤模式的白天，另一面則是永遠(yuǎn)寒冷的暗夜。二來(lái)則與恒星自身的活動(dòng)有關(guān)。類似GJ 887這樣的M型星容易“作妖”，時(shí)不時(shí)地產(chǎn)生個(gè)耀斑、散發(fā)出強(qiáng)烈的恒星輻射。這樣冷不丁地一擊對(duì)于行星上的生命體來(lái)說(shuō)是致命的。行星的大氣層會(huì)被侵襲，生命體很容易死亡。

太陽(yáng)耀斑示意圖（圖片來(lái)源：wikipedia.org）

從目前揭示的數(shù)據(jù)來(lái)看，GJ 887的磁場(chǎng)比較安分，還沒(méi)有發(fā)生過(guò)耀斑事件，所謂的狂躁特征似乎與它無(wú)緣。那么，只要有行星在宜居帶上，那它表面很可能存在水。并且，伴隨著母星安分的特點(diǎn)，我們將來(lái)研究分析行星大氣的過(guò)程就容易很多了。

綜上所述，對(duì)GJ 887系外行星的研究就成了一塊香餑餑。

GJ 887的行星家族

早在2002年至2004年，科學(xué)家就陸續(xù)證實(shí)了GJ 887附近兩顆系外行星的存在。這兩顆行星為GJ 887 b、GJ 887 c。它們繞母星旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間分別為9.3天和21.8天。推算得到它們的質(zhì)量分別約為地球的4.2倍和7.6倍，可謂是“超級(jí)地球”這一層次的選手。目前還沒(méi)有明顯的證據(jù)說(shuō)明它們是類地行星還是類木行星。它們離母星的距離也非常近，前者為日地距離的十五分之一，后者距離母星只有日地距離的八分之一。

顯然，兩顆行星的位置都太靠?jī)?nèi)側(cè)，已經(jīng)偏離了母星的宜居帶，它們沐浴來(lái)自母星的光和熱分別超出了地球的2.5倍和8倍之多，生命的存在可能可以說(shuō)是微乎其微了。

給我們帶來(lái)希望曙光的，是這次歐洲南方天文臺(tái)紅點(diǎn)2項(xiàng)目（Red Dots 2 project）的新發(fā)現(xiàn)。

揭示GJ 887 多行星運(yùn)轉(zhuǎn)周期的論文插圖 圖源：參考文獻(xiàn)[1]

結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究人員發(fā)現(xiàn)了一顆疑似八倍地球質(zhì)量大小的行星——GJ 887 d，它的軌道周期為50.7天，距離母星的距離為0.17個(gè)天文單位。結(jié)合母星物理參數(shù)分析，它很有可能是在宜居帶內(nèi)的。在溫和的母星陪伴下，它成為地球 2.0的概率也變得很高了。并且在詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)射上天后，我們還能細(xì)細(xì)端詳它的大氣層，到那時(shí)候，能不能成為另一個(gè)家園的結(jié)論或許就能出來(lái)了。

似乎一切看起來(lái)都很美好，不過(guò)還有個(gè)尷尬的問(wèn)題：萬(wàn)一模擬出的第三顆行星的信號(hào)不是行星而是恒星的自身活動(dòng)引起的呢？在系外行星的探索中常常需要面對(duì)這類干擾問(wèn)題，所以光是本次研究給出的結(jié)果還不能讓我們對(duì)GJ 887 d的存在一錘定音，還需要更進(jìn)一步的探測(cè)才能下結(jié)論。

那么，怎樣進(jìn)行更進(jìn)一步的探測(cè)呢？最簡(jiǎn)單粗暴的，我們建一個(gè)更大、集光能力更強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡。此時(shí)，太空后浪——詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）已經(jīng)開(kāi)始摩拳擦掌了。

三顆行星的參數(shù)，其中GJ 887 d的存在還未得到證實(shí)（AU 表示平均日地距離，M□表示地球質(zhì)量）

關(guān)于近鄰恒星GJ 887 宜居帶模擬（圖片來(lái)源：ESO）

窺視行星家族的幕后“偵探”

系外行星的探測(cè)并不是把望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)某個(gè)恒星，看到有行星圍著它運(yùn)轉(zhuǎn)就發(fā)現(xiàn)了一顆行星那么簡(jiǎn)單。行星本身不發(fā)光，它們只能反射來(lái)自母恒星的光。這和恒星發(fā)的光比起來(lái)可謂是小巫見(jiàn)大巫了。想要直接用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的行為實(shí)在是too naive。

少有的直接觀測(cè)的案例。上圖就是一個(gè)2004年，歐空局直接成像發(fā)現(xiàn)的系外行星。這是一個(gè)距離我們230 光年的系統(tǒng)。這個(gè)例子中，母星是一顆演化到末期的暗淡”褐矮星“，而繞轉(zhuǎn)著的是一顆比木星質(zhì)量還要大四倍的類木行星（圖片來(lái)源：ESA）

拋開(kāi)直接成像法，想要在我們周圍的鄰居中發(fā)現(xiàn)系外行星，現(xiàn)今唯一能用的方法就是視向速度法了。望文生義，視向速度法就是測(cè)速度的方法，具體點(diǎn)就是測(cè)恒星相對(duì)我們運(yùn)動(dòng)速度的方法。這也是發(fā)現(xiàn)第一顆“正經(jīng)”系外行星所利用的方法，去年的諾獎(jiǎng)就發(fā)給了兩位發(fā)現(xiàn)這一行星的大佬。

行星繞著母星旋轉(zhuǎn)示意圖（圖片來(lái)源：自繪）

牛頓引力理論告訴我們，由于行星環(huán)繞，恒星也會(huì)圍繞著它們的共同質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，反映到觀測(cè)上的結(jié)果是，恒星就像蕩秋千一樣，時(shí)而遠(yuǎn)離我們，時(shí)而朝我們而來(lái)。盡管相對(duì)它本身離我們的距離，這點(diǎn)變化顯得微不足道，但聰明的天文學(xué)家們有辦法分辨出來(lái)。

下圖顯示了視向速度測(cè)量的示意圖。視向速度測(cè)量并不是呆板地不斷測(cè)量恒星離我們距離的變化，來(lái)得到它不同時(shí)候離我們的速度究竟有多少。這在理論上是可行的，只要你有無(wú)限精密的儀器，但實(shí)際上做不到。我們可以做的，就是充分利用恒星的光譜，利用多普勒效應(yīng)反推母星運(yùn)動(dòng)速度，從而間接獲取其中是否有行星以及行星質(zhì)量、大小、軌道等有關(guān)信息。

利用恒星光譜來(lái)推斷系外行星（圖片來(lái)源：自繪）

每一顆恒星都有著屬于自己的光譜。多普勒定律告訴我們，當(dāng)一顆恒星遠(yuǎn)離我們時(shí)，它的譜線會(huì)往波長(zhǎng)比較長(zhǎng)的一段移動(dòng)，也就是圖上顏色偏紅的一端，我們稱之為紅移；而當(dāng)它在視線上朝向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)到的它的譜線會(huì)向藍(lán)色的一端移動(dòng)，我們稱之為藍(lán)移。

行星運(yùn)動(dòng)的速度越快，它的譜線偏移的就越狠，行星的質(zhì)量就越大，離母星的距離就越近。因而我們可以不斷關(guān)注著恒星的譜線變化情況，以期獲得母星的運(yùn)動(dòng)信息，之后便可以反推這顆恒星是否有行星，行星質(zhì)量大小以及軌道等相關(guān)信息了。

另外，想要用視向速度法測(cè)量的結(jié)果更準(zhǔn)確，就需要我們的恒星光譜分辨率越高越好。翻譯成大白話是，望遠(yuǎn)鏡中測(cè)光譜的儀器越厲害，就能越好地標(biāo)定出系外行星的物理參數(shù)。

這次潛在的GJ 887 d行星由歐洲南方天文臺(tái)位于智利的3.6 m望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行測(cè)量的是名為高精度視向速度行星搜索（HARPS）的光譜儀。未來(lái)想要證實(shí)它的存在，正在憋大招的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）將會(huì)是一個(gè)很好的接棒者。

解決若干天文問(wèn)題的大救星-——詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）（圖片來(lái)源：wikipedia）

呼之欲出的JWST

JWST這一大項(xiàng)目由美國(guó)宇航局、歐空局等幾家負(fù)責(zé)，相信對(duì)天文了解一些的小伙伴已經(jīng)不陌生了，它就是要取代哈勃望遠(yuǎn)鏡的“后浪”。它的直徑為6.5 m，遠(yuǎn)超哈勃的2.4 m。同時(shí)JWST上天后的一項(xiàng)任務(wù)就是進(jìn)行系外行星的探索。屆時(shí)，伴隨著太空優(yōu)秀觀測(cè)環(huán)境的加成，它搭載的高精度光譜儀勢(shì)必會(huì)對(duì)恒星光譜十分敏感，甚至?xí)?lái)行星科學(xué)方面的革命。

所以慢慢等著JWST上天看一看GJ 887這個(gè)恒星吧。目前，JWST項(xiàng)目組主頁(yè)（https://www.jwst.nasa.gov/）公布的發(fā)射時(shí)間為2021年10月31日。不過(guò)因?yàn)镴WST時(shí)常各種原因宣布跳票，似乎正確預(yù)測(cè)它的發(fā)射時(shí)間也成了一個(gè)科學(xué)任務(wù)（狗頭逃避）。

預(yù)期JWST的發(fā)射時(shí)間，可能是2026年吧（假正經(jīng)）底部文字：看吶，至少斜率是小于1的（圖片來(lái)源：xkcd.com）

參考資料：

[1].Jeffers S V, Dreizler S, Barnes J R, et al. A multiplanet system of super-Earths orbiting the brightest red dwarf star GJ 887[J]. Science, 2020, 368(6498): 1477-1481.

[2].Ksanfomaliti L V. Extrasolar Planetary Systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(25):14197-14198.

[3].Gratton R, Zurlo A, Coroller H L, et al. Searching for the near infrared counterpart of Proxima c using multi-epoch high contrast SPHERE data at VLT[J]. arXiv preprint arXiv:2004.06685, 2020.

[4].韓海年,魏志義,趙剛. 天文光學(xué)頻率梳及其在天體視向速度高精度測(cè)量中的應(yīng)用[J]. 物理, 2012, 41(04): 249-255.