系外行星，不只是“另一个地球”那么简单

wenxuefeng360 2021-07-09

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2019年诺贝尔物理学奖获得者，由左至右为：詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·马约尔和迪迪埃·克罗兹，图片来源：诺贝尔奖官网

撰文 | 鞠强

2019年诺贝尔物理学奖公布后，结果有些出人意料。这并非说三位获奖者的研究成果分量不足，而是出现了新的获奖领域。

詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）因为“在物理宇宙学中的理论发现”获得了一半奖金，他所从事的宇宙学研究也是颇受诺贝尔物理学奖青睐的领域。让人没有想到的是分享另外一半奖金的两位获奖者：米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎罗兹（Didier Queloz）。他们的获奖理由是“发现环绕类日恒星的系外行星”，这是行星科学研究首次获得诺贝尔奖。

时间回到1992年，波兰天文学家阿莱克桑德·沃斯克萨（Aleksander Wolszczan）和加拿大天文学家戴尔·弗雷尔（Dale Frail）在脉冲星PSR 1257+12周围发现了2颗系外行星，这是人类首次发现系外行星。但是，脉冲星会发出强烈的辐射，因此周围行星的环境极其恶劣，几乎不可能存在生命。

到了1995年，两位诺贝尔奖获得者在与太阳类似的恒星飞马座51（51 Pegasi）周围发现了1颗行星——飞马座51b（51 Pegasi b），这是人类发现的第一颗绕主序星（即与太阳相似的恒星）旋转的系外行星。哥白尼的日心说使人类认识到地球只是一颗普通的行星，而马约尔和奎罗兹的发现说明太阳系这样的行星系统在宇宙中并非独一无二。从这个角度来看，二人获奖实至名归。

在大众媒体中，系外行星也是近几年来出镜率比较高的科学话题。在媒体的描述中，系外行星研究自然引出了在太阳系外是否存在和地球类似的行星的问题，进而引出在太阳系外是否存在生命甚至智慧生命的问题。

系外行星吸引着公众的关注，接连发现的“超级地球”“另一个地球”牵动着公众的神经。特别是深谙科学传播之道的美国国家航空航天局（NASA）几次在公布系外行星研究进展的新闻发布会之前“故弄玄虚”，都给人一种这是一个“大新闻”的感觉。经过科研机构和媒体的合力宣传，系外行星想不火都难。

平心而论，新闻媒体的报道既呈现了研究的进展，也确实不时有渲染夸大之嫌。因此，如果公众希望比较准确、系统地了解有关系外行星的知识，读科普书应是首选。不过，据我所知，国内尚未见到以系外行星为主题的原创科普书。而在国外的作品中，近期在国内出版的《它们都去哪儿了：系外行星的新世界》（Exoplanets: Diamond Worlds,Super Earths, Pulsar Planets, and the New Search for Life beyond Our Solar System）填补了国内这个领域的空白。

在进入系外行星的主题之前，作者很自然地先是带领读者来了一趟太阳系内的行星之旅。人类了解的行星，从自古以来的5颗，到地球“降级”之后的6颗，再到逐渐发现至第9颗，又随着冥王星的降级而成为目前的“八大行星”。冥王星在2006年降级，也导致了时至今日，天文学界对“行星”的定义仍莫衷一是，争论不断。本书的作者也对把冥王星降级为矮行星持反对态度。在介绍行星的过程中，作者也同时提到了几颗外太阳系巨行星的卫星。这些曾被认为是一片死寂的地方，近年来已经成为研究的热点。

虽然地球中心主义、太阳中心主义被先后破除，我们似乎也没什么理由认为太阳系这样的行星系统是独一无二的，但受制于观测条件和研究方法等因素的限制，系外行星研究其实曾经处于相当边缘的位置。以前曾经听著名华人天文学家林潮说起，20世纪80年代，在他研究系外行星的时候，这个领域完全是一个冷门，全世界从事相关研究的科学家可能屈指可数。

从20世纪90年代开始，随着前述的一系列发现，系外行星开始走到台前。目前的研究热潮，很大程度上得益于2009年NASA发射的开普勒太空望远镜，虽然这台太空望远镜从立项到运行历经波折，但还是出色地完成了预定任务，发现了数千颗系外行星，其中不乏数百颗“超级地球”，前文提到的NASA的发布会发布的也都是开普勒太空望远镜的观测结果。结合介绍这台望远镜的工作原理和实际观测，作者也介绍了搜寻系外行星的主要方法。

开普勒太空望远镜观测小块天区的艺术想象图，图片来源NASA

这本书的英文版出版于2017年。2018年，开普勒太空望远镜退役。在此之前，新一代“行星猎手”——凌日系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）已经发射升空。“苔丝”（TESS）会接过接力棒，继续承担搜索系外行星甚至是宜居行星的重任。

“苔丝”的艺术想象图，图片来源：NASA

宜居行星最早是指位于宜居带内的行星，而宜居带是系外行星相关报道中的高频词汇。科学家曾经认为，只有类似地球的行星才适合生命生存，而地球就位于太阳系的宜居带内。但随着研究的不断深入，他们开始发现曾经的观点过于狭隘，宜居带不一定宜居，而宜居带之外也并非就是生命的禁区，很多情况下甚至可能是“绿洲”。

在前5章做好准备之后，我们到了见证一下真正的系外行星的时候。毫不夸张地说，6到10章对于几种系外行星的介绍将会彻底颠覆我们的认知。著名科幻作家刘慈欣说过，科学比科幻更科幻，这句话放在这里恰如其分。对科幻作家来说，这几章的内容里很多可以直接拿来作为作品的场景设定，比如表面被巨大冰层全部覆盖的行星，比如表面被巨大海洋全部覆盖的行星，再比如大部分由碳组成的钻石星球等。作者在书中也说“这会是多么棒的科幻小说题材啊”。在每一种类型的系外行星上，都在发生着我们觉得不可思议的事情。

在这几章的最后都会有一个“注意事项”，作者提醒我们由于数据不足、理论尚不完善等原因，我们对系外行星的了解非常有限，因此这几章对系外行星的介绍不乏猜测和虚构的成分。但这些猜测和虚构也都是基于现有的理论和观测，而并非是天马行空的想象。

科学家和公众对这些距离我们非常遥远的“水球”“冰球”“碳球”充满兴趣的原因，归根结底还是我们渴望破解生命起源和演化的谜团。第11章讨论了地球上的生命在哪里诞生、何时诞生以及如何诞生的问题，但对很多关键问题我们并没有确切的答案。比如2020年12月一篇发表在《自然》（Nature）上的文章就基于近期的研究成果讨论了生命起源的问题，指出了水在生命起源的过程中发挥的双刃剑作用。在这本书中，作者也指出无论是在太阳系内还是太阳系外搜索生命，水都是我们关注的中心。

2019年9月，科学家宣布首次在位于宜居带内的系外行星大气中观测到水蒸气，这颗系外行星的代号是K2-18b。图为系外行星K2-18b（图右）、中心恒星K2-18（图左）和这个恒星系统内另一颗行星（图中）的艺术想象图，图片来源欧洲空间局/哈勃太空望远镜

这本书的书名如果按照英文直译，应该是《系外行星：钻石世界、超级地球、脉冲星行星以及对太阳系外生命的新搜索》。译者选择“它们都去哪儿了”作为书名，其实与这部分的讨论密切相关，也就是所谓的“费米悖论”。1950年，当和同事们讨论地外文明的时候，费米随口一问：“那它们都去哪儿了？”70年过去了，虽然我们仍然无法回答这个看似随意实则极其深刻的问题，但也在进行不懈的思考和探索。比如书中提到的“德雷克公式”，数十年来围绕它的讨论就体现出我们对某些问题的理解已经取得了不小的进步。

在谈论可能存在的地外文明以及如何处理与他们的关系时，很多人会联想到刘慈欣在《三体》中的“不要回答”。而与保持缄默的观点相反，有些科学家提出了主动与外星生命联系的计划，包括“地外文明搜寻计划”（SETI）以及其他类似的计划。

本书的两位作者迈克尔·萨默斯（Michael Summers）和詹姆斯·特赖菲尔（James Trefil）都是SETI的支持者，也都是美国乔治梅森大学的教授。他们既有参与NASA太空探索任务的经验，又是科学写作的行家里手。这样一个组合无疑可以保证此书的水准。

本书的译者徐蒙博士本身从事行星科学研究，也是国内这个领域活跃的科普工作者之一。同时，她在译注中补充了必要的内容，可以帮助读者更好地掌握书中的内容。

备受期待的詹姆斯·韦伯太空望远镜计划在2021年发射升空，它的强大观测能力将在红外波段获得目标系外行星大气的数据。这些数据有望和“苔丝”以及其他探测器获得的数据一起，描绘一个更加清晰的系外行星图景。