撰文 | 鄭永春（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)）
哥倫比亞大學(xué)天體生物學(xué)家Scharf說(shuō)，
“這是一個(gè)震撼人類種族心理的時(shí)刻！”
“海內(nèi)存知己，天涯若比鄰。”
在我們的太陽(yáng)系附近，就有一顆離我們最近的恒星——比鄰星，與我們的地球之間僅為4.23光年。雖然經(jīng)過(guò)NASA過(guò)去幾年的新聞轟炸，發(fā)現(xiàn)新的系外行星早已經(jīng)不是什么新鮮事了，“第二個(gè)地球”的說(shuō)法也已經(jīng)被濫用。但在距離我們那么近的地方，發(fā)現(xiàn)了一顆和地球差不多大小的星球，仍然讓人為之振奮。天文學(xué)家在比鄰星附近到底發(fā)現(xiàn)了什么？他們是怎么發(fā)現(xiàn)的？人類有生之年能否抵達(dá)那里？看看離地球最近的系外行星是什么樣的？春哥知道你想了解什么，盡己所能，奮筆疾書，為你逐一解讀。
熱鬧非凡的巴西里約奧運(yùn)會(huì)剛剛落幕，不甘寂寞的天文界立馬爆出大新聞。8月24日晚（歐洲中部時(shí)間），位于智利的歐洲南方天文臺(tái)（European SouthernObservatory, ESO）召開新聞發(fā)布會(huì)，宣布在離太陽(yáng)系最近的恒星——比鄰星周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆位于宜居帶內(nèi)的行星！相關(guān)論文今天在Nature雜志線上發(fā)表，說(shuō)明這一發(fā)現(xiàn)并非聳人聽聞，而是通過(guò)了嚴(yán)格的同行評(píng)審。
歐洲南方天文臺(tái)新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)
歐洲南方天文臺(tái)官方網(wǎng)站發(fā)布頭條新聞，標(biāo)題是：最近恒星周圍的宜居帶發(fā)現(xiàn)行星。1發(fā)現(xiàn)了什么
Nature雜志新聞宣稱，“這是天文學(xué)的美夢(mèng)成真！也將是未來(lái)星際航行的鎖定目標(biāo)！”
天文學(xué)家在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)了一顆新行星，它被命名為比鄰星b（Proxima b），距離它的母星比鄰星只有700萬(wàn)千米（0.047天文單位）。而太陽(yáng)系最靠近太陽(yáng)系的行星——水星，到太陽(yáng)距離為57,91萬(wàn)千米（0.38天文單位）。這顆新行星到母星的距離僅為水星到太陽(yáng)距離的12%，非常靠近其母星。
新行星繞比鄰星一圈只需要11.2天，而水星繞太陽(yáng)一圈需要88天，地球繞太陽(yáng)一圈需要365天。
雖然離母星的距離非常近，但由于比鄰星是一顆紅矮星，質(zhì)量?jī)H為太陽(yáng)的0.123倍，光度僅為太陽(yáng)的1.55‰，表面溫度約為2800K，所以比鄰星b仍處于母星的“宜居帶”中，表面溫度可能處于液態(tài)水可以存在的范圍。
比鄰星是南門二（半人馬座α）三合星系統(tǒng)中的三顆恒星之一。相較于南門二雙星來(lái)說(shuō)，比鄰星距離地球僅4.23光年，更靠近地球，是真正的太陽(yáng)系隔壁鄰居。所以，本次發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于鄰居家發(fā)現(xiàn)了新成員，自然引起了全球媒體的廣泛關(guān)注。
比鄰星比南門二雙星這兩顆恒星更靠近太陽(yáng)。2怎么發(fā)現(xiàn)的
《科學(xué)美國(guó)人》雜志宣布，“人類發(fā)現(xiàn)可能適宜生命的行星就在隔壁，這將重塑科學(xué)歷史以及人類星際航行的夢(mèng)想！”
近幾年，天文學(xué)家從未停止過(guò)對(duì)比鄰星（包括南門二雙星）周圍行星的探測(cè)，
今年上半年，歐南臺(tái)位于智利拉西拉天文臺(tái)（La Silla）3.6米口徑HARPS光譜儀（高精度徑向速度行星搜索器，High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，簡(jiǎn)稱HARPS）對(duì)比鄰星進(jìn)行了細(xì)致觀測(cè)。由于比鄰星亮度非常低，視星等只有11等，比相鄰的南門二暗幾萬(wàn)倍。比鄰星的亮度在地球上完全無(wú)法靠肉眼觀察，即使通過(guò)地面望遠(yuǎn)鏡要觀測(cè)也并不容易。
天文學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)這顆黯淡恒星周圍的行星的呢？我們知道，當(dāng)一顆行星繞其恒星運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，行星的引力作用會(huì)使這顆恒星的視向速度發(fā)生微弱變化。這一變化反映在恒星光譜的吸收線上，將產(chǎn)生非常小的多普勒效應(yīng)。為探測(cè)這種特別微小的多普勒位移，科學(xué)家發(fā)明了HARPS，能探測(cè)到比人類步行速度還慢（小于每秒1米）的多普勒位移。HARPS光譜儀成功捕獲到比鄰星存在非常微小的前后擺動(dòng)。所謂視向速度，及我們觀察時(shí)看到恒星在靠近地球方向和遠(yuǎn)離地球方向的速度，
有趣的是，早在2013年，歐洲南方天文臺(tái)和美國(guó)的部分天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)備就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了比鄰星b的蛛絲馬跡，但觀測(cè)結(jié)果還不是很有說(shuō)服力。赫特福德大學(xué)（University of Hertfordshire）的青年天文學(xué)家 Tuomi 和 Anglada-Escude 首次注意到這顆行星的痕跡。但由于資歷較淺，他們很難申請(qǐng)到望遠(yuǎn)鏡的使用時(shí)間，只能將科研精力放到他人已經(jīng)發(fā)表的觀測(cè)數(shù)據(jù)上。
Tuomi和Anglada-Escude根據(jù)2000-2008年收集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，比鄰星的視向速度每隔11.2天就有一個(gè)小擺動(dòng)，幅度僅為1.4m/s（如上圖）。雖然，這一擺動(dòng)很有可能是環(huán)繞比鄰星運(yùn)行的行星的引力干擾導(dǎo)致的。但由于觀測(cè)數(shù)據(jù)不夠充分，他們撰寫的科研論文被拒絕接收。
今年1月開始，情況出現(xiàn)好轉(zhuǎn)，Anglada-Escude等說(shuō)服歐洲南方天文臺(tái)，每天給他們20分鐘的觀測(cè)時(shí)間，持續(xù)觀測(cè)60天。由于比鄰星是一顆黯淡的紅矮星，所以這個(gè)新的觀測(cè)項(xiàng)目被稱為“黯淡紅點(diǎn)”計(jì)劃（Pale Red Dot）。他們把最新觀測(cè)的數(shù)據(jù)、以及歐洲南方天文臺(tái)及其他天文臺(tái)的早期觀測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到了非常清晰、遠(yuǎn)超噪音水平的信號(hào)——他們?cè)诒揉徯侵車l(fā)現(xiàn)了一顆新行星。
“在60個(gè)不眠之夜里，我每天都會(huì)仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)，” Anglada-Escude說(shuō)，“前10天的觀測(cè)數(shù)據(jù)似乎充滿希望，前20天的觀測(cè)數(shù)據(jù)則符合我們的預(yù)期，到前30天的時(shí)候，一切看起來(lái)已經(jīng)確鑿無(wú)疑！所以我們馬上動(dòng)手寫論文。”8月24日晚上，他們的論文在Nature雜志在線發(fā)現(xiàn)，并正式向公眾宣布這一新發(fā)現(xiàn)。
觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，比鄰星有時(shí)以5千米/小時(shí)的速度靠近地球，有時(shí)候又以相同速度遠(yuǎn)離地球。這個(gè)微小的變化正好處于HARPS的探測(cè)能力內(nèi)，天文學(xué)家由此推算出視向速度的重復(fù)周期為11.2天。再進(jìn)一步分析，推算出造成這種觀測(cè)結(jié)果的原因，可能是比鄰星周圍存在一顆約為1.27倍地球質(zhì)量的行星。
當(dāng)然，研究團(tuán)隊(duì)仍然十分謹(jǐn)慎，利用其它望遠(yuǎn)鏡設(shè)備逐一排除其他可能性。比如，相較于太陽(yáng)而言，紅矮星本身的質(zhì)量很小，光度也很弱，會(huì)表現(xiàn)出類似行星的特征。
論文作者之一，卡耐基研究所的天文學(xué)家Butler說(shuō)，“在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，我們將星體視向速度的測(cè)量精度從300m/s提高到驚人的1m/s，這使我們未來(lái)將發(fā)現(xiàn)大量系外行星！”Bulter指出，“這也說(shuō)明，適宜生命的類地行星并不罕見(jiàn)，未來(lái)可以通過(guò)大型地面或空間望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)。”
這個(gè)發(fā)現(xiàn)與今年人類在兩處LIGO設(shè)施首次探測(cè)到引力波信號(hào)有異曲同工之妙，“大自然小心翼翼地掩蓋著自己的秘密，”Butler說(shuō)，“但你不會(huì)碰巧在兩個(gè)不同儀器上發(fā)現(xiàn)相互吻合的數(shù)據(jù)！”3難道又是第二個(gè)地球
論文作者、英國(guó)Queen Mary大學(xué)天文學(xué)家Anglada-Escude說(shuō)，“許多系外行星已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，更多的行星也會(huì)被不斷發(fā)現(xiàn)”，“但是在距離我們最近的地方發(fā)現(xiàn)類地行星，哇，這對(duì)于我們而言是平生僅此一次的難忘經(jīng)歷！”
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了兩篇論文，討論比鄰星b的宜居性及其氣候。他們發(fā)現(xiàn)，目前這顆星球上在特定條件下可能存在液態(tài)水，在陽(yáng)光最充足的地區(qū)，液態(tài)水或許能存在于地表。比如，類似月球以同一面朝向地球，這顆新行星同步自轉(zhuǎn)時(shí)朝向比鄰星的那一面，或像水星與太陽(yáng)那樣以3:2共振時(shí)的熱帶地區(qū)。
比鄰星b的自轉(zhuǎn)較特，加之受恒星輻射和行星形成歷史的影響，比鄰星b上的氣候?qū)⑼耆煌诘厍颉＿@顆新行星上不存在四季變化。
比鄰星b的約為地球的1.3倍，很可能是一顆巖石星球，如上圖所示，估計(jì)形成于49億年前。比鄰星b上收到的熱輻射強(qiáng)度是地球的65%，位于比鄰星的宜居帶內(nèi)，如下圖所示。表面溫度約為零下40攝氏度，相當(dāng)于地球上的南極。這顆新行星有可能存在大氣層和液態(tài)水，但還沒(méi)有任何證據(jù)支持這一論斷。
由于距離比鄰星實(shí)在太近了，新行星上將遭受到非常強(qiáng)烈的紫外線和X射線照射，比地球周圍的太空環(huán)境更為惡劣，也很難適合生命生存。4人類有生之年能去成嗎？
論文作者之一，卡耐基研究所的天文學(xué)家Butler說(shuō)，“這一發(fā)現(xiàn)是人類過(guò)去30年天文探索不懈努力的巔峰之作”。
系外行星觀測(cè)的進(jìn)展表明，銀河系中的每一顆恒星，都可能有自己的行星。人們甚至估算，每一顆冷星（cool star）周圍都有20%的概率存在一顆適宜生命生存的類地行星。這個(gè)概率已經(jīng)相當(dāng)之高。比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)新行星的事實(shí)告訴我們，太陽(yáng)系之外還有許多我們的兄弟姐妹，在等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
在過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)里，人類觀測(cè)到的宇宙圖景不斷被刷新，不斷被顛覆。當(dāng)我們的目光觀測(cè)到越來(lái)越深遠(yuǎn)、越來(lái)越黯淡的宇宙，我們的地球、人類和太陽(yáng)系本身都顯得越來(lái)越渺小。在大多數(shù)人被瑣事纏身的時(shí)候，我們也需要駐足遠(yuǎn)望，低頭沉思，浩瀚的宇宙中是否有我們的同類，抑或整個(gè)宇宙中只有人類孤獨(dú)終老？
比鄰星b上的環(huán)境是否適宜生命還有很多疑問(wèn)。Anglada-Escude說(shuō)，下一步的主要工作，就是要在比鄰星b上尋找生命存在的可能性。
發(fā)現(xiàn)離太陽(yáng)系最近的類地行星，不禁讓春哥想起了霍金等前不久剛剛提出的突破攝星計(jì)劃。由俄羅斯投資大亨尤里·米爾納等金主站臺(tái)的這一大膽計(jì)劃，目標(biāo)正是比鄰星所在的半人馬座阿爾法星。
2016年4月13日上午8時(shí)，著名天體物理學(xué)家史蒂芬·霍金在紐約更新了剛開張的新浪個(gè)人微博，宣布將啟動(dòng)一個(gè)超級(jí)科研項(xiàng)目——“突破攝星”計(jì)劃：建造一個(gè)激光推進(jìn)的微型星際飛行器，預(yù)計(jì)最快用20年抵達(dá)離太陽(yáng)系最近的恒星系統(tǒng)——半人馬座阿爾法星。
“突破攝星”計(jì)劃由美國(guó)宇航局（NASA）艾姆斯研究中心前總監(jiān)沃爾登帶領(lǐng)，背后的金主是俄羅斯互聯(lián)網(wǎng)投資人尤里·米爾納。除霍金外，F(xiàn)acebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格也參與了該計(jì)劃的監(jiān)督委員會(huì)。目前，該計(jì)劃已經(jīng)獲得高達(dá)1億美元的經(jīng)費(fèi)支持。
計(jì)劃中提出的“納米飛行器”，可以在短短幾分鐘內(nèi)加速到光速的五分之一，即每秒鐘飛行六萬(wàn)公里。相比之下，人類歷史上飛行速度最快的航天器——“新視野號(hào)”在飛越木星加速后的峰值速度也僅每秒鐘飛行20公里（每小時(shí)7.5萬(wàn)公里），以這一速度飛到冥王星就用了10年時(shí)間，如果以這一速度飛到比鄰星，則至少需要一萬(wàn)四千年以上，顯然是人類很難接受的。
因此，米爾納和霍金希望研制速度為0.2倍光速的“納米飛行器”，用21年就可以飛到4.22光年之外的比鄰星。目標(biāo)是希望快速抵達(dá)離我們最近的另一個(gè)恒星系統(tǒng)，去探索那顆恒星周圍的行星，在帶去人類信息的同時(shí)，也把那里的信息帶回地球。
“突破攝星”計(jì)劃盡管非常激動(dòng)人心，但目前只能算是一項(xiàng)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，在理論上是可行的，但距離真正的工程實(shí)現(xiàn)，還需要相當(dāng)漫長(zhǎng)的時(shí)間。人類航天器在我們的有生之年，還基本上不可能飛出太陽(yáng)系，當(dāng)然也不可能飛到這顆新行星上。
不管怎樣，在離我們最近的恒星周圍發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新成員，相當(dāng)于我們的隔壁鄰居家來(lái)了一位不速之客，素來(lái)少人問(wèn)津的庭院一下子熱鬧起來(lái)。當(dāng)然，喧囂之后，一切將重歸寧?kù)o。
太空，依然很空。
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