文/左文文（中國科學(xué)院上海天文臺(tái)）
宇宙中的恒星喜歡成群結(jié)對(duì)。
我們的銀河系中有三千多億顆恒星，其中約一半恒星處于雙星系統(tǒng)中。在引力作用下，聚在一起的恒星多于2顆而小于10顆的恒星系統(tǒng)稱為“聚星”，三顆恒星在一起便是“三合星”，四顆星在一起是“四合星”，以此類推。如果因引力而聚集在一起的恒星數(shù)目超過10顆，該系統(tǒng)稱為星團(tuán)。
銀河系約一半恒星處于雙星系統(tǒng)中，圖為雙星系統(tǒng)，圖片來源網(wǎng)絡(luò)。
在科幻小說《三體》中，三體人生活的環(huán)境變化多端，可謂冰火兩重天，有時(shí)天上出現(xiàn)的兩顆太陽將大地深深炙烤，有時(shí)則長時(shí)間處于黑暗冰冷狀態(tài)。而在茫茫宇宙中，三體系統(tǒng)的存在是已經(jīng)確認(rèn)的。
目前天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的系外行星已超過2300顆，而處于三合星系統(tǒng)中的系外行星個(gè)數(shù)近60顆。在這近60顆行星中，8月25日凌晨之前，天文學(xué)家所知道的、同時(shí)滿足處于宜居帶且質(zhì)量與地球相當(dāng)?shù)男行遣坏?個(gè)。如今，數(shù)目再加1，增加的這顆行星竟然還是離我們最近的一顆系外行星，繞轉(zhuǎn)在三合星中最不起眼的小不點(diǎn)恒星周圍。
這顆行星是如何探測到的？該發(fā)現(xiàn)有多可靠？它雖然處在宜居帶，真的宜居嗎？一般探測系外行星有哪些方法？未來，我們還有哪些探測計(jì)劃？
新發(fā)現(xiàn)：離我們最近的一顆系外行星，處于宜居帶
北京時(shí)間8月25日凌晨1點(diǎn)，歐洲南方天文臺(tái)召開發(fā)布會(huì)，宣布了他們最新的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：在除太陽之外距離我們最近的恒星比鄰星周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆位于宜居帶的類地行星候選體。該行星候選體質(zhì)量約1.3倍地球質(zhì)量，每11.2天繞轉(zhuǎn)比鄰星一圈。它距離主星700萬千米，相當(dāng)于0.05倍日地距離。該工作已發(fā)表在25日的《自然》雜志[1]。
4月份霍金在微博上公布的消息還歷歷在目：如果“突破攝星”計(jì)劃順利得以實(shí)施，人類將在幾十年內(nèi)有機(jī)會(huì)看到近距離拍攝的半人馬座alpha星的照片。令人好奇的是，霍金在公布消息時(shí)，是否就知道了關(guān)于該發(fā)現(xiàn)的一些內(nèi)幕消息呢？
比鄰星是除太陽之外距離我們最近的一顆恒星，就在4.22光年之外。有人說：“半人馬座alpha是距離我們最近的恒星?！贝蠹艺f這句話對(duì)嗎？另外，比鄰星就是半人馬座alpha嗎？顯然，答案是不對(duì)，不是，這是很多人非常容易混淆的地方。
半人馬座alpha位于半人馬座內(nèi)，是一個(gè)三合星系統(tǒng)，中文名是“南門二”。根據(jù)亮度，將其三顆星命名成半人馬座alpha星A、B和C，其中A星和B星是和太陽非常相似的恒星，并且是雙星系統(tǒng)，可惜，肉眼無法分辨出來。而比鄰星是該系統(tǒng)中的小不點(diǎn)C星，它是一顆紅矮星。
圖1：半人馬座alpha星系統(tǒng)與太陽的相對(duì)大小。
圖2：比鄰星行星的藝術(shù)想象圖。近處的這顆是行星，遠(yuǎn)處是它的主星比鄰星，而比鄰星和半人馬座alpha星AB這個(gè)雙星系統(tǒng)又構(gòu)成了三合星系統(tǒng)。圖片版權(quán)： ESO/M. Kornmesser
如何探測系外行星？
如何探索系外行星呢？常見的幾種方法包括：直接成像法、掩星法、視向速度法和微引力透鏡法等。而這顆行星候選體的發(fā)現(xiàn)是利用的什么方法呢？
直接成像法
直接成像法，顧名思義，就是直接對(duì)著行星系統(tǒng)拍照。你期待找到的是恒星旁邊的行星，可是恒星太亮，你的眼中就只剩恒星的光芒，很難檢測出行星的存在。一種解決方法是，想辦法遮住恒星的光芒后，再拍照尋找行星存在的證據(jù)。這類方法探測到的系外行星數(shù)目不到100顆。
圖3：利用安裝了渦狀日冕儀（用于遮住恒星光芒）的海爾1.5米望遠(yuǎn)鏡，用直接成像法發(fā)現(xiàn)的標(biāo)號(hào)為HR8799的恒星周圍的3顆行星[3]。圖片版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory
值得一提的是，2016年8月12日，《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇文章宣布，基于直接成像法，天文學(xué)家利用歐南臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡（Very Large Telescope; VLT），在另一個(gè)三合星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一顆行星，編號(hào)為HD131399Ab。
這顆行星位于人馬座（也就是生活中我們常說的射手座）中，距離地球340光年，質(zhì)量是太陽系中最大行星木星的4倍。在這個(gè)三體系統(tǒng)中，B和C星相距約10倍日地距離，相互繞轉(zhuǎn)；A星距離B、C星300倍日地距離。行星距離其主星A約80倍日地距離，在繞轉(zhuǎn)過程中，行星有可能因距離主星太遠(yuǎn)，又受到另外兩顆恒星的影響，運(yùn)動(dòng)軌道變得不穩(wěn)定，甚至被拋出去。[5]
圖4：利用歐南臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡的SPHERE成像儀拍攝的照片。本圖片由兩個(gè)獨(dú)立的觀測數(shù)據(jù)制作成，分別是對(duì)三合星的觀測，以及遮擋A星后的直接成像。圖片版權(quán)：ESO/K. Wagner et al.[6]
掩星法
掩星法，是目前尋找到最多系外行星的方法。開普勒衛(wèi)星只搜尋了天鵝座和天琴座內(nèi)的一小塊天區(qū)，工作量卻高達(dá)十幾萬顆恒星。目前開普勒衛(wèi)星已經(jīng)找到了4706顆候選體，其中確認(rèn)的系外行星有2327顆，但處于所謂“宜居帶”且類地的系外行星，卻只有個(gè)位數(shù)。
掩星法基于的原理是什么呢？——恒星發(fā)光，行星不發(fā)光。當(dāng)行星運(yùn)動(dòng)至視線方向上、處在恒星和觀測者之間時(shí)，在移入視恒星面的過程中，恒星的視亮度會(huì)緩緩出現(xiàn)小幅度的下降；然后降至最低；隨著行星慢慢移出視恒星面，相應(yīng)地，恒星的視亮度會(huì)緩緩增加，恢復(fù)到恒星的本來視亮度。
這種方法雖然比較高效，但也有局限性。如果行星的軌道運(yùn)動(dòng)不允許我們觀測到它對(duì)恒星亮度的影響，比如當(dāng)行星的軌道面剛好與我們的視線方向相垂直時(shí)，那么視線方向上，恒星的光不會(huì)被行星遮擋，任憑你多長時(shí)間地去監(jiān)測恒星的亮度變化，也沒有辦法探測到行星的存在證據(jù)。
視向速度法
在介紹視向速度法之前，讓我們先來舉個(gè)例子。
以我們地球和太陽為例，假設(shè)太陽系中就只有地球這一顆大行星。由于地球和太陽之間存在引力，地球和太陽相互繞轉(zhuǎn)，鑒于太陽質(zhì)量是地球的三百多萬倍，因此兩者繞轉(zhuǎn)的中心就落在太陽里面了——如果將地球和太陽之間距離比作北京和上海的距離，那么太陽的直徑相當(dāng)于約10千米，而兩者繞轉(zhuǎn)的中心距離太陽中心約0.5米，遠(yuǎn)小于10千米，即繞轉(zhuǎn)中心位于太陽內(nèi)部。
如此看來，可近似看成地球繞著太陽轉(zhuǎn)。但更精確點(diǎn)說，地球并不是以太陽中心為中心來繞轉(zhuǎn)，太陽和地球都是以太陽內(nèi)某點(diǎn)為中心在繞轉(zhuǎn)。從地球上，借助高精度的觀測手段，我們也能發(fā)現(xiàn)太陽規(guī)律地朝向和遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)。
光譜技術(shù)的加入，讓難解之題有了明朗的曙光，讓速度在視線方向上的分量——視向速度有了天文的表達(dá)方式。
具體就是將恒星發(fā)出的輻射分光，從而展示其在各個(gè)不同頻率處的發(fā)光情況。在某些特征頻率處，恒星光譜會(huì)出現(xiàn)吸收線。如果將吸收線對(duì)應(yīng)的特征頻率比作是吸收線發(fā)出的“聲音”的話，它也可以被當(dāng)做是恒星的“聲音”，接下來就與聲音的多普勒效應(yīng)進(jìn)行類比：當(dāng)恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，光譜向著頻率更高處移動(dòng)（藍(lán)移），吸收線的聲音會(huì)變得更尖銳；當(dāng)恒星遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，光譜向著頻率更低處移動(dòng)（紅移），吸收線的聲音會(huì)變得更低沉。
根據(jù)吸收線的“聲音”變化與否，或者說光譜的移動(dòng)與否，可以判斷該恒星周圍是否有行星。這便是尋找系外行星的方法之一——視向速度法。但是，觀測中之所以能看到恒星光譜出現(xiàn)藍(lán)移或紅移，不僅僅只有行星的引力，還可能是觀測噪聲和不連續(xù)的觀測時(shí)間等造成的。如果行星質(zhì)量比較小，比如與地球質(zhì)量相當(dāng)，其對(duì)恒星光譜的移動(dòng)不明顯，較難從微弱的信號(hào)中解讀出小行星的存在與否。因此，這類方法尋找到大質(zhì)量行星的準(zhǔn)確率高達(dá)90%，而在小質(zhì)量行星的搜索上表現(xiàn)不佳。另外，如果是單顆行星，該方法無法估計(jì)出行星的準(zhǔn)確質(zhì)量，僅能給出下限。
在比鄰星的這顆行星候選體被發(fā)現(xiàn)之前，曾有消息宣稱，在半人馬座alpha星中發(fā)現(xiàn)一顆行星，該行星也曾被號(hào)稱是離我們最近的系外行星，只不過主星不是比鄰星，而是半人馬座alpha星B。
讓我們回到3年前——
2012年，瑞士日內(nèi)瓦天文臺(tái)的科學(xué)團(tuán)組在《自然》雜志發(fā)表文章宣布，他們?cè)诎肴笋R座alpha星B周圍，發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量與地球相當(dāng)?shù)男行荹4]。該發(fā)現(xiàn)一經(jīng)宣布，就像如今比鄰星的行星被發(fā)現(xiàn)一樣，引來了媒體的廣泛關(guān)注。但有一些天文學(xué)家持質(zhì)疑態(tài)度，認(rèn)為這個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)可能過度解讀了數(shù)據(jù)。
2015年10月，來自于牛津大學(xué)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一篇名為《時(shí)間序列里的幽靈》的文章，強(qiáng)調(diào)上述數(shù)據(jù)分析中可能出現(xiàn)過度解讀[6]。他們表示，從數(shù)據(jù)中看到的表明行星存在的特征很可能并非來源于行星。
他們用計(jì)算機(jī)模擬構(gòu)建了一系列虛擬的觀測，假設(shè)有一顆沒有行星的恒星，望遠(yuǎn)鏡對(duì)它進(jìn)行了不連續(xù)觀測，然后基于這些模擬生成的觀測數(shù)據(jù)，用2012年工作中的同樣方法進(jìn)行分析，他們也能得出與2012年工作類似的結(jié)論——存在一顆行星，而實(shí)際上模擬設(shè)置的條件就是不存在行星。據(jù)此，最初提出在三星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)行星的第一作者也表示：確實(shí)，那顆行星有可能真的不存在。
3年前同樣爆炸性的發(fā)現(xiàn)被證明可能是對(duì)數(shù)據(jù)的過度解讀，那這次發(fā)現(xiàn)呢？會(huì)不會(huì)有同樣的可能呢？
時(shí)間再回到現(xiàn)在。
該行星候選體是如何被發(fā)現(xiàn)的？
此次系外行星的發(fā)現(xiàn)，也是基于視向速度法?；谝曄蛩俣确?，而被發(fā)現(xiàn)的存在行星的三體系統(tǒng)還包括Gliese 667C等。
為此次比鄰星行星的發(fā)現(xiàn)立下汗馬功勞的，是一個(gè)被稱作“暗淡紅點(diǎn)”的計(jì)劃。
遙想1990年，旅行者1號(hào)在64億千米之外，回眸一瞥，拍攝下地球的照片。在照片中，地球如此渺小，就像一顆暗淡藍(lán)點(diǎn)。而比鄰星是一顆紅矮星，想象一下，它的行星沐浴在暗淡紅光中，將搜索計(jì)劃稱作“暗淡紅點(diǎn)”再合適不過。
圖5：上圖展示了歐南臺(tái)的3.5米望遠(yuǎn)鏡，它安裝的光譜儀——高精度視向速度行星搜索器（High Accuracy Radial velocity Planet Searcher; HARPS）是目前世界上最前沿的系外行星捕獵者。右下角是半人馬座alpha星。下圖：半人馬座alpha星AB和比鄰星。圖片版權(quán)：Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani
來自于倫敦皇后瑪麗大學(xué)的Guillem Anglada-Escude是該科研團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)，據(jù)他介紹，早在2013年，就有一些證據(jù)表明比鄰星周圍可能有一顆行星，但那時(shí)證據(jù)不夠有力。隨后，他們就努力獲取更多的觀測數(shù)據(jù)。
“暗淡紅點(diǎn)”計(jì)劃籌劃了近兩年。歐南臺(tái)位于智利的3.6米望遠(yuǎn)鏡有一個(gè)HARPS光譜儀，它是個(gè)高精度光柵光譜儀，偵測的最低視向速度達(dá)1米/秒。2016年1月19日至3月31日，HARPS光譜儀每天晚上都會(huì)抽出20分鐘來拍攝比鄰星的光譜。
綜合暗淡紅點(diǎn)的數(shù)據(jù)和早期的觀測數(shù)據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)，比鄰星有時(shí)以每小時(shí)5千米的速度靠近地球，有時(shí)又以相似速度遠(yuǎn)離。視向速度規(guī)律性的變化周期為約11.2天。行星距離主星約700萬千米，僅大致為日地距離的5%。根據(jù)軌道周期和視向速度的變化幅度，進(jìn)一步分析估測出比鄰星受到行星的引力影響幅度有多大，進(jìn)而推算出行星的質(zhì)量至少是1.3倍地球質(zhì)量。但行星的精確質(zhì)量還需要有其它的方法輔助，比如掩星法。
他們的結(jié)論有多可靠呢？Anglada-Escude表示，由于此前在半人馬座alpha星系統(tǒng)中也曾發(fā)現(xiàn)行星存在的信號(hào)，但后來證實(shí)該信號(hào)很可能來源于數(shù)據(jù)的過度解讀。因此，他們必須更嚴(yán)格對(duì)待這次發(fā)現(xiàn)，在排除了各項(xiàng)其它可能帶來干擾的因素之后，才有信心下結(jié)論：我們確實(shí)看到了比鄰星的行星。
從論文標(biāo)題也可以發(fā)現(xiàn)，盡管他們已經(jīng)確信發(fā)現(xiàn)的是一顆行星，可他們還是謹(jǐn)慎地稱之為“行星候選體”。他們的數(shù)據(jù)還顯示，有可能還有第二顆行星存在，軌道周期約100至400天，只不過可確信度不如軌道周期11.2天的這顆行星，因此在文章中，他們并未提及第二顆行星。
圖6：從2016年1月1日算起，視向速度隨著時(shí)間的變化。視向速度為正，表示朝向我們運(yùn)動(dòng)。圖片版權(quán)：ESO/G. Anglada-Escudé
這顆行星適宜居住嗎？
判斷一顆行星是否宜居的重要依據(jù)，是液態(tài)水的存在與否。
到主星的距離太近，即使有水，也會(huì)被蒸發(fā)殆盡；距主星太遠(yuǎn)，水會(huì)以冰的形式存在；惟有在距離適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，液態(tài)水才會(huì)安然待住。這適當(dāng)距離范圍就稱為宜居帶。
宜居帶的內(nèi)側(cè)和外側(cè)到主星的距離，近似地與主星的發(fā)光本領(lǐng)（單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的輻射能量）有關(guān)，主星發(fā)光本領(lǐng)強(qiáng)N倍，宜居帶到主星的距離就遠(yuǎn)了根號(hào)N倍。
由于本次發(fā)現(xiàn)類地行星的主星比鄰星是一顆紅矮星，質(zhì)量約是太陽的1/8，發(fā)光本領(lǐng)是太陽的0.17%，而根據(jù)估算，太陽系中宜居帶的范圍約是0.99倍日地距離到1.688倍日地距離[2]，所以如果僅考慮發(fā)光本領(lǐng)的話，可以推測比鄰星的宜居帶范圍是太陽宜居帶范圍的4%，即從0.040日地距離到0.068日地距離。而本次發(fā)現(xiàn)的行星候選體到比鄰星的距離約0.05倍日地距離，盡管比水星到太陽的距離還要小很多，但就它自己所在的系統(tǒng)而言，它就落在宜居帶內(nèi)。這表明，它有可能表面溫度適宜，允許液態(tài)水的存在。
圖7：宜居帶的范圍與恒星光度之間的關(guān)系示意圖，圖片來源于網(wǎng)絡(luò)
但情況并沒有那么簡單。距離主星如此近，高能輻射粒子對(duì)于大氣和液態(tài)水存在的威脅不容小覷。
據(jù)研究團(tuán)組投至《天文學(xué)和天體物理》雜志的文章[7]介紹，根據(jù)比鄰星的輻射情況推測，比鄰星的行星所接收的極紫外輻射是地球當(dāng)前承受量的60多倍，X射線輻射則高達(dá)250多倍?？紤]到地球在早期也接收到更多的高能輻射，自比鄰星行星誕生以來的約50億年間，行星承受的高能總輻射量約是地球的7到16倍。比鄰星的這顆行星還是否宜居，答案尚不得而知。
為了理論上探索該行星在何種情況下仍存有液態(tài)水和大氣層，研究者們進(jìn)一步構(gòu)建復(fù)雜的3D模型。
在假設(shè)該行星具有與地球相似的大氣層，假設(shè)行星表面的水含量也與地球的表面含水量相當(dāng)?shù)那闆r下，他們發(fā)現(xiàn)，該行星的軌道性質(zhì)會(huì)決定主星對(duì)其造成的潮汐作用以及該行星的自轉(zhuǎn)模式的不同。
假如軌道更接近圓形，行星就會(huì)被主星鎖定，就像地球?qū)⒃虑蜴i定一樣，公轉(zhuǎn)1周的過程中自轉(zhuǎn)1周，結(jié)果總是行星的同一面朝向主星，從而造成朝向主星的溫度高達(dá)30多度，而背面溫度則低至零下30多度，正面允許液態(tài)水的存在。如果軌道偏離圓形的程度高，行星的自轉(zhuǎn)模式則更像水星，以3:2共振自轉(zhuǎn)，即繞主星繞轉(zhuǎn)3周的過程中，自轉(zhuǎn)了2周。在后者情況下，在某些區(qū)域的溫度能達(dá)到30度，也能維持液態(tài)水的存在。[7, 8]
科學(xué)家們認(rèn)為，該行星的自轉(zhuǎn)、來自于主星的高能輻射以及行星的演化歷史等，注定了其氣候非常不同于地球。行星的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)平面的夾角接近90度，表明該行星很可能就沒有季節(jié)交替。[8]
而模擬計(jì)算過程中最大的不確定性因素是行星早期的水含量。地球表面的水含量是150億億噸，將它定義為一個(gè)“海洋”。參考太陽系內(nèi)行星的形成和演化，計(jì)算顯示該行星很可能在誕生之后的1億年到2億年期間，就蒸發(fā)損失了近1個(gè)海洋。隨后發(fā)生了什么，就更加不確定了。
有可能，行星能維持了其大部分的大氣層，從而留住了行星表面尚存的液態(tài)水，提供了一個(gè)適宜生命的場所；但也有可能，水被蒸發(fā)，大氣層消失，成了一個(gè)沒有大氣和水的地獄。既然兩者皆有可能，那也就是說，它仍然可能是顆距離我們最近的宜居行星。
究竟情況如何，還亟待后續(xù)的觀測和理論研究。而這一發(fā)現(xiàn)也勢必會(huì)引發(fā)下一輪觀測熱潮，現(xiàn)有的設(shè)備和下一代巨型望遠(yuǎn)鏡也將以比鄰星作為觀測目標(biāo)之一，觀測探索其更多的細(xì)節(jié)。例如，若能看到行星運(yùn)動(dòng)至比鄰星前方，使得比鄰星發(fā)出的光通過行星大氣，再抵達(dá)望遠(yuǎn)鏡，那么就可以通過觀測數(shù)據(jù)反推其大氣成分，還可以幫助更準(zhǔn)確地確定行星的質(zhì)量。目前還沒有證據(jù)表明，行星的運(yùn)動(dòng)軌跡允許我們做這樣的觀測，所以上述可能性還在探索中。
參考文獻(xiàn)：
[1] G. Anglada-Escudé, et al. 2016, Nature, 536, 437
[2] R. K. Kopparapu. 2013, ApJ, 767, 8
[3] C. Marois, et al. 2008, Science, 322, 1348
[4] X. Dumusque, et al. 2012, Nature, 491, 207
[5] K. Wagner, et al. 2016, Science, 353, 673
[6] V. Rajpaul, S. Aigrain, & S. Roberts. 2015, MNRAS, 456, 6
[7] I. Ribas, et al. 2016, arxiv:1608.06813
[8] M. Turbet, et al. 2016, arxiv: 1608.06827
(責(zé)任編輯：王真_NT5228)
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