前不久，全世界都为地球找到了“另一半儿”而兴奋。可是，你知道这寻找“伴侣”的过程，对于科学家们来说有多难吗？甚至，这种观测本身在科学界也是一次天文竞赛，背后有着不为人知的血与泪。
虽然科学家已经发现了数千颗行星，但几乎没有一颗可以直接成像。现在，科学家运用最先进的观测技术，试图给类木行星等巨行星拍照，为更直观地探索类地行星奠定基础。
在遥远的智利中部的安第斯山脉，夜空深邃，群星暗淡。星座淹没于繁星之中，很难辨认。在2015年5月的一个夜晚，当布鲁斯·麦金托什（Bruce Macintosh）看向星空的时候，一些东西困扰着他。哪怕是在海拔2700米的地方，他依然只能透过“空气的海洋”望向天空。风越来越大，而他头顶的恒星闪烁得有点厉害。
麦金托什在这里寻找另一个地球——或者更准确的说是另一个木星。许多科学家认为，这类观测对于寻找岩质、宜居带内的类地行星是必要的。他并不像其他天文学家那样，对一个天体进行几个月甚至几年的长时间观测，直到恒星的位置发生了微小的移动，或者恒星亮度的变化揭示了系外行星的存在。麦金托什的兴趣在于对遥远的行星拍照，把它们看作是遥远恒星周围的光点，从数光年之外观看它们快速旋转的气态表面。作为斯坦福大学的天文学家，麦金托什将这称为“直接成像技术”。
除了风的问题，还有一件事令麦金托什感到不安——他有一个对手。在他600公里以南的另一个光秃的山峰上，天文学家让-吕克·伯齐（Jean-Luc Beuzit）也在试图做同样的观测。在法国格勒努布尔行星学与天体物理学研究所工作的伯齐，既是麦金托什的朋友亦是竞争对手。命运和资金让他们同时出现在这些山头上寻找系外行星，目的是弄清地球是否只是宇宙中的沧海一粟。
在这一天文学竞赛中，麦金托什的特殊设备是一个价值数百万美元、小轿车大小的复杂的光学与波前传感仪器。该设备被称为双子星系外行星成像仪（GPI）。仪器安装于主镜直径为8米的双子星南方望远镜上，抛光的镀银玻璃圆盘主镜的面积，相当于1/8个标准篮球场。
伯齐也有“秘密武器”，他的设备有小货车那么大，被称为光谱偏振高分辨系外行星研究仪器（SPHERE），安装于欧洲南方天文台甚大望远镜阵中的一个望远镜上，这个望远镜的直径也是8米。这两个仪器都研发了十几年，近几个月内才完成初光（即首次投入使用）。从两个山顶出发，麦金托什和伯齐几乎在观测同样的恒星天体。他们都希望，自己的团队第一个拿到类木行星的照片。
过去20年间，在天文学家发现的5000多个系外行星中，几乎没有一个可以直接拍摄到。直接对系外行星拍照异常困难，因为从地球上来看，即使最大的、至少处于宜居带内的行星，光线仍然太暗弱，而且它们距离恒星还是太近。对系外行星直接成像，即使是几个很小的像素上的像，也能对行星的构成、大气成分以及是否有生命存在的可能，有很大的了解。通过GPI和SPHERE寻找类木行星，已经用到了当前最先进的技术，人类现在还无法建造出够大、够精良的望远镜，从邻近恒星耀眼的星光中，分辨出类地行星微弱的行星光。如果我们真的建造出了可以直接观测类地行星的设备，那几乎可以肯定的是，这些设备是从GPI和SPHERE发展而来的。
亲自看到的东西才令人信服。虽然直接成像非常困难，但它的效率会更高。今天，主流的行星观测技术只够给天文学家提供一些复杂的观测数据，而要得到直观的结果，往往需要数月甚至数年的分析才行。直接成像的优势是，也许只需几个小时或几天，天文学家就能收到观测设备传回的照片。这就是麦金托什和伯齐在拍摄类木行星首张照片的竞争上，分秒必争的原因。
龟兔赛跑
在2014年5月的那个晚上，身处望远镜控制室的麦金托什盯着一排电脑屏幕监控着GPI。在GPI正式开始搜寻新的行星之前，首先要经过试运行阶段——较长时间的测试与校准。这个阶段始于2013年下半年，在2014年5月的时候，已经进入了最后阶段。这项工作单调而乏味，因为没有一个人因其确保了仪器的正常运行而获奖。在这以分钟计量的竞赛中，GPI领先了刚刚开始试运行的SPHERE25万分钟，这一点让麦金托什感到欣慰。但是SPHERE拥有一套更强大的仪器，并且获准使用望远镜的时间也比GPI多，这使得SPHERE能够在比较宽的波长范围，在更大视场、更高空间分辨率上观测更多的星体。换句话说，即使GPI处于领先地位，SPHERE也能像伊索寓言中的乌龟那样追赶上来，首先获得第一张系外行星的图像。
大气湍流引起的星体闪烁延误了GPI团队的观测工作。在等待风消退的过程中，麦金托什告诉了我，几年前，这两个团队的人谁也没有想到未来的竞争会如此激烈。麦金托什强调说：“即使在现在，他们也不是真正意义上的敌人——云和风才是他们共同的敌人”。
几个小时后，风力减弱了，“好了，现在我们开始观测HD95086，”坐在旋转椅上的麦金托什向12个团队成员说道。其他成员立马开始工作，向隔壁圆顶房间内的电脑发出指令。很快，望远镜就指向了船底座中一颗距地球300光年的白矮星——HD95086。这是一颗只有1700万年的年轻恒星，拥有一颗5倍于木星质量、轨道大约为冥王星2倍的行星。以前那些功能稍弱的、具有直接探测能力的仪器曾观测到这颗行星，麦金托什团队会比较新图像与早期图像的结果，来校准GPI。
与GPI探寻的其他星球一样，这颗特殊的行星自形成以后，还没有冷却下来，会发出红外线。在亮度上，大多数行星的亮度都只有恒星的百万分之一，就像炽热火球周围的点点尘埃。年轻木星则有所不同，它们更像是篝火之后剩下的还红彤彤的余灰，这就是为什么GPI或者SPHERE有希望看到它们，并且了解它们是怎样形成和演化的。
为类木行星拍照
当GPI团队准备观测HD95086时，一个单色圆圈突然出现在了麦金托什的屏幕上，圆圈里似乎填充着打了马赛克的流体，像是数字化处理后的流水特写镜头。“这是受到了风的影响。”麦金托什说到。“星光会穿过大气湍流照射在探测器上，而探测器会驱动我们的自适应光学系统”。
自适应光学系统是一组由电脑控制的变形镜。为了克服因大气导致的畸变，这些变形镜在一秒钟内变形几百次甚至上千次，让天文学家能拍摄到可与空间望远镜相媲美的照片。敲了几下键盘，并对团队下达口头指令后，麦金托什启动了GPI的自适应光学系统。在望远镜的底端安装着两块GPI的变形镜，一块是市售现成的“woofer”镜（低分辨率、低速、变形幅度大），另一块稍小一点，是专门定制的“tweeter”镜（高分辨率、高速、变形幅度小），有4000多个促动器。现在，两个变形镜正在同步起伏扭动，用镜面的凸起和凹陷，去匹配望远镜上空每处会导致光线模糊的瞬时空气扰动，使得星光恢复到近乎完美的状态。结果看起来十分神奇，麦金托什屏幕上变幻动荡的圆圈变得平滑且稳定。现在，HD95086在屏幕上形成了一个非常明亮的像。但是，没有行星的迹象。
为了让这颗恒星的已知行星显现出来，麦金托什采用了一个能遮住大部分星光的星冕仪。在星冕仪中，星光通过一系列掩膜之后会有99%的光子被过滤掉。那些通过了星冕仪的星光则汇聚在一起，照射到一块中心有一个孔的平面镜上，这个孔的打磨精度达到了原子量级。麦金托什解释说，恒星的光会射入孔中，而行星的光则会被平面镜反射，进入仪器中，抵达一个能把光线按波长分解成不同组分的超低温光谱仪。
现在，屏幕上的图像是围绕着中心黑影（即HD95086）的光斑组成的白色光晕，那些斑块被称为散斑，是由星冕仪漏过的多余星光形成的。在GPI的图像中，散斑会掩盖行星或者伪装成一个行星。为了区分散斑和行星，GPI团队会在红外波段拍摄一系列不同波长的照片。
麦金托什像放电影一样，一帧一帧前后滚动着不同波长的图像，光晕随着所有光斑的统一移动而膨胀收缩。所有的光斑中，只有一个比较特殊：从恒星散斑的汪洋大海中，我们找到了孤零零的一个固定不动的行星光点。不到半个小时，我们就从只能看到风，到了可以看到其他恒星身旁的一颗遥远行星。进一步分析GPI数据中的行星光谱后，研究者发现，该行星的颜色非常红，这可能是光线被其高层大气中的尘埃强烈散射的结果。
并非所有目标都这样难以观测，那些更近、更亮的恒星很乐意向我们透露它们的秘密。早些时候，GPI团队只用单次60秒的曝光就拍摄到了Beta Pictoris b的图像。这是一颗炽热的年轻巨行星，距离地球63光年，它的轨道半径几乎是木星绕日轨道半径的两倍。如此轻松就能看到该行星，这说明直接成像终于成了一种常规手段：稍早安装在双子星南方望远镜上的另一个直接成像仪之前也获得了类似的Beta Pictoris b图像，尽管它需要一个多小时的观测和大量的图像处理工作。GPI团队得到的新图像使他们对Beta Pictoris b轨道的估算达到了前所未有的精确度。他们还发现，从地球角度来看，该行星会在2017年挡在其恒星前面，发生凌星现象——这种罕见的排列有助于科学家更好地了解这颗遥远的巨行星。
在日出前剩下的几个小时中，GPI团队拍摄了双星和黯淡的尘埃盘，甚至还穿透土卫六浓厚而朦胧的碳氢化合物大气，观察它斑驳的表面。
在6天观测周期的最后一个夜晚，GPI团队发现了第一颗系外行星。该行星围绕着一颗年龄约为2000万年的恒星运转，轨道半径是木星轨道半径的两倍。第一个注意到该星的人是加利福尼亚大学伯克利分校的博士后罗伯特·德·罗莎，他在观看一些不起眼的GPI图像时，察觉到了一个闪烁的光点。随后的观测显示，这是一个质量相当于木星2～3倍的行星，距离地球100光年，是天文学家迄今为止观测到的与木星最为相像的行星。
“这是天文学家发现的第一颗看上去是温暖版的木星而不是低温恒星的行星。”麦金托什说。“这颗行星可能很年轻，仍然‘记得’自己形成的过程。通过充分的观测我们能够确定它的质量和年龄，并查明它是自内而外形成的（我们认为木星就是这样形成的），还是像恒星一样过由外到内形成的。”
一个新的时代
离开了麦金托什，我赶到了伯齐团队这里。在一间狭小的控制室内，SPHERE团队的领导者伯齐正在调度准备即将开始的试运行。SPHERE在试运行阶段表现得非常好，拍摄到了许多出色的天体图片，这其中包括一个围绕着HR4796A的黯淡尘埃环。HR4796A是一颗距离地球237光年的恒星，位于半人马星座，年龄大约为800万年。
伯齐告诉我，尽管已经拍到了许多漂亮的照片，但在我到访的这一晚，SPHERE还没有准备好去发现新的行星，它的自适应光学系统出了点问题。在造价100万欧元，有1377个单元的SPHERE变形镜上，有些负责弯曲镜片的促动器无法工作。伯齐说，最终的解决方案可能把整个变形镜换掉，改成采用其他促动器技术的变形镜。即使如此，他仍乐观地认为SPHERE和GPI都会超额完成各自的科学目标。与此同时，仪器的试运行必须继续下去。这次试运行已在今年年初结束了，并获得了第一批早期科学观测数据，对先前已经拍摄到的行星系统进行了成像观测。
当我问到SPHERE和GPI的竞争时，伯齐的第一反应只是微笑并抿了一口咖啡，片刻后他很认真地说：“一旦我们都开始发现新的行星，没人会记得是谁第一个。我不是说我们与美国人之间不存在竞争，但我和麦金托什已经相识15年，我们都知道这项任务有多困难，我们共同庆祝成功，分享遭遇的困难，改进各自的系统，为下一代天文台和成像仪器铺平道路。”
“随着这些观测设施在几乎同一时间启用，我们正进入一个新的时代。”加州理工学院教授，同时担任SPHERE首席仪器科学家的德米特里·马维特说：“我们将会有许多奇妙的发现，我们也会大幅度地推进自适应光学技术的发展。而这将是下一代望远镜的基础，那些望远镜需要这类控制技术来维持巨大镜面的形态。”
下一代望远镜中的一个就计划建造在SPHERE北边20千米处、海拔3000米的阿玛逊斯山的山顶。在我拜访后不久，为了给欧洲极大望远镜清理出地基，山顶被炸平了。欧洲极大望远镜是将在未来十年中投入运行的三大超级望远镜之一。这些望远镜将拥有口径达30米或40米的超大主镜。把它们那前所未有的强大集光能力与SPHERE或GPI这类系统结合起来，不仅能够拍摄自身会发出辐射的类木行星，也能对那些温度更低，比木星暗1000倍的行星进行直接成像，从而在距离太阳最近的那些恒星周围，拍摄到可能适宜生命居住的行星。然后，专门的空间直接成像观测项目就能够更深入地探索这类行星，搜寻生命信号。拍到这样的照片，一睹太阳系外“地球”的芳容，这一愿望一直激励着GPI、SPHERE等项目背后的团队成员。
当我在双子星南方望远镜与麦金托什交谈时，他也说了类似的话：“我把我们现在做的每一件事情都视为争取拍摄到另一个地球而作出的努力，将来的某一天我们会获得它们的照片。如果我们最终得出了拥有海洋、大气和氧等重要东西的小型岩质行星所占的比例，而且发现这个数字其实非常小，那将是非常重要的事情。这一发现可能在很长一段时间内都对人类文明的进步没有什么实际影响。但在哲学上，认识到‘在1000光年以内，我们的地球是唯一一个有生命的地方，’可能会提醒我们小心点，别把地球搞砸了。”
（本文由《环球科学》杂志社供稿）
