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（中國科學(xué)院大學(xué)）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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宇宙冷漠而又磅礴，面對浩瀚的星海，相信很多人都有過思考，地球是否是孤獨特別的那一顆呢？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，總共證實的系外行星數(shù)量有4,281顆。對太陽系之外的探索，不僅僅是為了“尋找地球2.0計劃”，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)了太陽系之外的一顆行星，也許會是“地球2.0”的有力競爭者。

（地球2.0的暢想圖 圖片來源：NASA）

宜居星系的主角恒星

太陽系的鄰居中，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。不過按照目前的探索結(jié)果來看，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。

太陽系鄰居分布圖，紅色方框標(biāo)記的就是本次的主角 （圖片來源: 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。相對于11.05等暗淡的比鄰星，觀測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注定肉眼無法直接捕捉，但是夜空晴好的時候，通過雙筒望遠(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）（圖片來源：Stellarium 軟件截圖）

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

太陽和 GJ 887的對比（圖片來源：NASA）

為什么把目光指向這顆星？

恒星的分布其實不是隨機的，而是集中于顯示恒星演化過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，喜歡把目標(biāo)行星選擇為太陽這類處于主序星階段的恒星，因為主序星狀態(tài)比較“穩(wěn)定”。因此，位于主序星宜居帶上的系外行星相對來說宜居的可能性更大一些。

可是從比例來看，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，我們在2016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（圖片來源：NASA）

但是有個小問題，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。一來是因為紅矮星相對較冷，星球上想要保持合適溫度就要離母星近一些，萬一太近了，就容易被潮汐鎖定。這樣行星的一面將會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。二來則與恒星自身的活動有關(guān)。類似GJ 887這樣的M型星容易“作妖”，時不時地產(chǎn)生個耀斑、散發(fā)出強烈的恒星輻射。這樣冷不丁地一擊對于行星上的生命體來說是致命的。行星的大氣層會被侵襲，生命體很容易死亡。

太陽耀斑示意圖（圖片來源：wikipedia.org）

從目前揭示的數(shù)據(jù)來看，GJ 887的磁場比較安分，還沒有發(fā)生過耀斑事件，所謂的狂躁特征似乎與它無緣。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，我們將來研究分析行星大氣的過程就容易很多了。

綜上所述，對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“超級地球”這一層次的選手。目前還沒有明顯的證據(jù)說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內(nèi)側(cè)，已經(jīng)偏離了母星的宜居帶，它們沐浴來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是微乎其微了。

給我們帶來希望曙光的，是這次歐洲南方天文臺紅點2項目（Red Dots 2 project）的新發(fā)現(xiàn)。

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

結(jié)合觀測數(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，到那時候，能不能成為另一個家園的結(jié)論或許就能出來了。

似乎一切看起來都很美好，不過還有個尷尬的問題：萬一模擬出的第三顆行星的信號不是行星而是恒星的自身活動引起的呢？在系外行星的探索中常常需要面對這類干擾問題，所以光是本次研究給出的結(jié)果還不能讓我們對GJ 887 d的存在一錘定音，還需要更進(jìn)一步的探測才能下結(jié)論。

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

三顆行星的參數(shù)，其中GJ 887 d的存在還未得到證實（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（圖片來源：ESO）

窺視行星家族的幕后“偵探”

系外行星的探測并不是把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)某個恒星，看到有行星圍著它運轉(zhuǎn)就發(fā)現(xiàn)了一顆行星那么簡單。行星本身不發(fā)光，它們只能反射來自母恒星的光。這和恒星發(fā)的光比起來可謂是小巫見大巫了。想要直接用望遠(yuǎn)鏡觀測的行為實在是too naive。

少有的直接觀測的案例。上圖就是一個2004年，歐空局直接成像發(fā)現(xiàn)的系外行星。這是一個距離我們230 光年的系統(tǒng)。這個例子中，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（圖片來源：ESA）

拋開直接成像法，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，視向速度法就是測速度的方法，具體點就是測恒星相對我們運動速度的方法。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（圖片來源：自繪）

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

下圖顯示了視向速度測量的示意圖。視向速度測量并不是呆板地不斷測量恒星離我們距離的變化，來得到它不同時候離我們的速度究竟有多少。這在理論上是可行的，只要你有無限精密的儀器，但實際上做不到。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)反推母星運動速度，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。

利用恒星光譜來推斷系外行星（圖片來源：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，它的譜線會往波長比較長的一段移動，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動時，觀測到的它的譜線會向藍(lán)色的一端移動，我們稱之為藍(lán)移。

行星運動的速度越快，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，以期獲得母星的運動信息，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位于智利的3.6 m望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行測量的是名為高精度視向速度行星搜索（HARPS）的光譜儀。未來想要證實它的存在，正在憋大招的詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）將會是一個很好的接棒者。

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

呼之欲出的JWST

JWST這一大項目由美國宇航局、歐空局等幾家負(fù)責(zé)，相信對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JWST上天后的一項任務(wù)就是進(jìn)行系外行星的探索。屆時，伴隨著太空優(yōu)秀觀測環(huán)境的加成，它搭載的高精度光譜儀勢必會對恒星光譜十分敏感，甚至?xí)硇行强茖W(xué)方面的革命。

所以慢慢等著JWST上天看一看GJ 887這個恒星吧。目前，JWST項目組主頁（https://www.jwst.nasa.gov/）公布的發(fā)射時間為2021年10月31日。不過因為JWST時常各種原因宣布跳票，似乎正確預(yù)測它的發(fā)射時間也成了一個科學(xué)任務(wù)（狗頭逃避）。

預(yù)期JWST的發(fā)射時間，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量中的應(yīng)用[J]. 物理, 2012, 41(04): 249-255.