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宇宙中有 3 亿颗宜居行星，我们能找到其中一个吗？

晰数塔互联网快讯
2021-02-06 15:51

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编者按：人类从未停止过对宇宙的探索，也一直汲汲于寻找与我们形似的智慧生命。这样的努力尽管在短期内仍旧看不到希望，但一种令我们前行的动力却始终存在着。可以确定的是，在未来半个世纪里，相关领域的科学家们还将前仆后继，推动人类继续超越自身，进入宇宙，以期终结我们在宇宙中的孤独状态。本文作者Dennis Overbye，原文标题Looking for Another Earth? Here Are 300 Million, Maybe。

开普勒-186f的概念图，第一颗在太阳以外恒星旁发现的适居带内半径与地球相若的系外行星，半径稍大于地球，处于宜居区的边缘。图片来源：T. Pyle / NASA Ames / JPL-Caltech

十年前，一群天文学家着手调查一个令哲学家、科学家、牧师、天文学家、神秘主义者和其他人类嘲笑的最古老的问题：这个宇宙中还有多少个地球（如果有的话）？据我们所知，有多少遥远的行星可以孕育生命？

他们的工具是开普勒飞船（Kepler spacecraft），它于2009年3月发射升空，执行为期3年半的任务，监测银河系一片天空中的15万颗恒星。它的目标是捕捉当一颗系外行星从它的主星前面时经过造成的恒星光线的微小减弱。

“它不是E.T.，但它是E.T.的家，”William Borucki在2009年3月发射任务开始时如是说道。William Borucki是美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames Research Center）退休的天文学家，他构想了这个项目，花了20年时间说服NASA完成它。

在2018年最终失效之前，它已经在这些恒星中发现了4000多个候选行星。到目前为止，没有任何迹象表明有生命或居住。（当然，它们离我们很远，很难进行研究。）根据这一数据推断，银河系中有数十亿颗系外行星。但其中有多少是潜在宜居的星球呢？

在对开普勒飞船搜集的数据进行了两年的研究后，由研究中心的Steve Bryson领导的44名天文学家组成的研究小组得出了他们所说的确定答案（至少目前是这样）。他们的论文已被《天文学杂志》（Astronomical Journal）接受发表。

开普勒飞船的正式目标是测量一个被称为eta-Earth的数字，即在“适居带”中有地球大小的物体绕其运行的类日恒星的比例。适居带温度足够高，表面可以保留液态水。

研究小组计算出，在质量和亮度与太阳相似的恒星中，至少有三分之一，甚至可能高达90%的恒星都有像地球这样的岩石存在于它们的宜居带中，这个范围反映了研究人员对他们各种方法和假设的信心。不管你怎么看，这都不是一个小数目。

据NASA的估计，银河系中至少有1000亿颗恒星，其中约40亿颗与太阳类似。如果这些恒星中只有7%有适合居住的行星——这是一个非常保守的估计——那么仅在整个银河系中就可能有多达3亿颗适合居住的行星。

“我们的估计非常保守，”该报告的作者之一、位于马里兰州Greenbelt的NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center）的研究员Ravi Kumar Kopparap说，“因此，我们有意压低了估计数字。”

2011年哈勃太空望远镜观测到的银河系中心。科学家们估计，仅在我们自己的星系中就有大约3亿颗可能适合居住的行星。图片来源：NASA

天文学家计算出，平均而言，最近的这类行星应该在20光年之外，而在离太阳30光年左右的范围内应该有4个。

“从飞船发射到论文发表，花了11年时间，但就是这样了，”加州大学圣克鲁兹分校（University of California，Santa Cruz）的天文学家Natalie Batalha在一封充满喜悦的电子邮件中说道，“这是我们一直在等待的科学结果——这就是2001年12月开普勒被选中进行飞行的原因。”

这一新结果意味着，该星系的“肥沃程度”至少是2013年开普勒数据首次分析中估计的两倍。Andrew Howard、Erik Petigura和Geoffrey Marcy（他们不是开普勒项目组的成员）得出的结论是，大约五分之一的类日恒星，在其宜居带中存在行星。

Batalha表示，这次的改进之一是增加了来自欧洲GAIA卫星的数据，该卫星已经测量了10亿颗恒星的位置和亮度。这些知识使开普勒的科学家们能够更精确地绘制出恒星的宜居带。

另一个改进是处理统计数据的方法，尽管正如Batalha指出的那样，“调查本身是不完整的。正如你不能给每个公民打电话做调研，你不可能观测每一颗星星。”

在开普勒项目中，这种局限性很严重。开普勒的定位系统在开普勒完成其主要调查之前就失灵了。开普勒的主要调查限制它探测轨道周期小于700天的行星，这个周期大约是地球一年的两倍。

在一封电子邮件中，哈佛-史密森天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的David Charbonneau表示，他对这个结果有点怀疑：“开普勒任务没有发现很多真正的类似地球的行星（（可以说一个也没有发现）），即与地球半径相同、运行时间相同、因此接收到的光量相同的行星，也没有发现类似太阳的恒星。”

正如Batalha当时所说的那样：“我们还没有任何候选行星在大小、轨道或恒星类型方面与地球完全相似。我们现在还不知道。因此，天文学家不得不从他们看到的行星上推断数据。”

尽管这些观察到的行星与地球大小相仿——半径为地球的一半到1.5倍——而且据推测是岩石构成的，但没有人知道它们的细节，也没有人知道它们是否有生命存在于上面。他们离得太远，不适合进一步研究。到目前为止，我们所知道的只有一颗行星，也就是我们自己的行星，存在生命。

但还有很多机会可以找到存在生命的星星。开普勒对eta-Earth的测量仅适用于像太阳这样的恒星，但在银河系中，这些恒星的数量远远超过了更小、更暗的恒星，即红矮星。据现任职于加州大学伯克利分校（University of California，Berkeley）的Courtney Dressing的研究，四分之一到二分之一的红矮星也有宜居带行星，尽管一些天文学家担心来自这类恒星的辐射耀斑会毁灭任何试图在那里开始的生命。另外，红矮星不包括在对eta-Earth的新分析中。

这些红矮星与寻找生命有关，因为开普勒已经将火炬传递给了2018年发射的“系外行星凌日探测卫星”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）。该卫星将在整个天空中搜寻距离地球几百光年以内的系外行星。到目前为止，TESS已经发现了66颗新的系外行星，并对2000多颗候选行星进行了分类。

麻省理工学院（MIT）的天体物理学家，同时也是这次任务的首席研究员，George Ricker在一封电子邮件中表示，预计这些行星中大多数都是围绕红矮星运行的。他说：“由于太阳附近约有四分之三的恒星是矮行星，这为TESS在未来十年留下了一个非常大的发现空间。”

Batalha表示，未来的年轻科学家可能还会找到一种方法来提高eta-Earth的值，“在那之前，这将是事实上的标准。”

在一个被称为德雷克方程（Drake equation）的数学表达式中，eta-Earth的值是一个重要且迄今未知的因素。天文学家用它来估计银河系中可能存在多少科技文明，以及我们可能在某个宇宙日通过无线电或其他方式与之联系。

话说回来，在外星岩石上找到哪怕是一种黏液霉菌，都将彻底改变生物学。在未来半个世纪里，这是一项有价值的议程，因为人类将继续超越自身，进入宇宙，寻求终结我们在宇宙中的孤独状态。

译者：喜汤