想找太阳系之外的宜居行星?那还得向“三体人”要地盘

作者: 王善钦

来源: 科普中国

发布日期: 2023-01-31 07:00:26

韦布空间望远镜确认了一颗新的太阳系外行星LHS 475b,其大小和质量接近地球,但温度过高不适合生命存在。科学家们通过凌星法和光谱分析确认了这颗行星的存在,并讨论了寻找太阳系外宜居行星的可能性,特别是比邻星b。

2023年1月9日,以Jacob Lustig-Yaeger与Guangwei Fu为共同第一作者的一篇论文宣布:韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称“韦布”)确认了一颗新的太阳系外的行星(系外行星),并获得了它的透射光谱。由于这颗行星的质量与半径接近地球的质量与半径,有些媒体甚至说韦布发现了宜居行星(即适宜于生命生存与演化的行星)。

那么,韦布是如何确认系外行星存在的呢?这颗行星真的宜居吗?如果有有一天,我们要前往“下一个地球”,目的地应该设在哪里呢?让我们跟随科学家们的研究,一步步寻找这些问题的答案。

首先,请注意上文中我们说的是韦布“确认”了一颗系外行星,而不是“发现”,因为最早发现它的其实是凌星系外行星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)。

根据系外行星的命名规则,某颗恒星的第一颗被确认的行星的编号是这颗恒星的编号之后加字母b。韦布确认的这颗系外行星的母恒星是LHS 475,所以这颗系外行星的编号是LHS 475b。LHS 475是一颗红矮星,位于南极座方向,距离地球约41光年(1光年=9.46万亿千米)。

LHS 475b最早被推断存在,是因为TESS观测到LHS 475的亮度出现了45次周期性的凌星信号。

根据恒星亮度的周期性变暗,可以推断它们发生了凌星现象,从而推断它们有行星。TESS拥有4个口径为10厘米的小望远镜,再搭配4个CCD,总视场高达2300平方度,相当于约12100个满月在天空中的占据的面积,超过全天区域的5%。因此,它可以一次性观测海量的恒星。此外,TESS在每个区域要持续观测至少27天。对于那些每隔几天就发生一次凌星现象的行星系统,它可以在一个观测周期内观测到几次完整的凌星过程。

Lustig-Yaeger与Fu领衔的团队(以下简称“LF团队”)于2022年8月31日与2022年9月4日用韦布的近红外光谱仪(Near-Infrared Spectrograph,NIRSpec)两次观测了LHS 475的亮度演化,每次观测的时间持续4.4小时。在获得光谱数据后,LF团队将不同波段的亮度合成为总亮度。

LF团队的两次观测确认LHS 475的亮度出现周期性的降低,每次变暗的比例是千分之1.06,与由TESS的数据得到的千分之0.978非常接近,这也侧面证实了TESS的灵敏度。LF团队对数据的分析彻底排除了假阳性的可能性,从而确认有一颗行星周期性地遮挡了这颗恒星,它就是LHS 475b(此前的TOI 910.01)。

LF团队利用先前得到的光谱数据计算出LHS 475b的直径约为地球直径的99%,并假定其密度结构类似于地球,由此推断出它的质量约为地球质量的91%。乍一看,这颗星球好像有着和地球差不多的大小,这种相似会让一些人误以为LHS 475b是一颗宜居行星。事实上,行星宜居的要求有很多,最低的要求是:至少有部分区域不太冷也不太热,可以存在液态水。然而,还记得吗?

前文提到,LHS 475b与母恒星的距离仅为0.02天文单位,因此它的整体平均温度比较高。LF团队的计算表明,它的整体平均温度达到586K(313摄氏度);如果它没有大气或只有稀薄大气,那么它面向恒星的一面温度达到为748K(475摄氏度)。显然,它的温度太高,并不适合生命存在。

除了温度太高之外,这颗行星的大气可能也不适应生命的生存与演化。根据韦布的近红外光谱仪的观测,LF团队得到了LHS 475的透射光谱,虽然得到的透射光谱精确度较低,没能显示出任何元素或分子的特征。不过,对光谱数据的拟合依然排除了几种大气模型,特别是类似于地球的大气模型。他们的模型认为,即使这颗行星存在大气,其大气也只能是类似于火星/多云的金星/多雾的土卫六的大气。这样的大气显然是不宜居的。

所以,如果有人非要说LHS 475b是一颗宜居行星,它只能给出否认三连了。事实上,这次通过韦布的观测只是进一步确认了一个大小类似于地球的“类地行星”(岩石行星的一类)的存在性,并利用获得的透射光谱限制了它的大气类型。LF团队的论文也根本没有说他们找到了一颗宜居行星(因为它不是啊!)。

他们强调的是,韦布得到的数据对LHS 475b的大气成分的限制以及韦布观测的敏锐性——对于低于百万分之50的亮度变化,韦布也足够敏感。

说了这么多,好像都是让人失望的消息。

不过我们大可不必悲观:虽然LHS 475b不是一颗宜居行星,但天文学家此前已经确认了一些可能宜居的行星,比如TRAPPIST-1拥有的7颗行星中有4颗(TRAPPIST-1d、e、f与g)可能处于宜居带,其中TRAPPIST-1d与TRAPPIST-1e的整体平均温度分别约为286.2K(13.1摄氏度)与249.7K(?23.5摄氏度),它们的质量分别约为地球质量的0.4与0.7倍。

在这些宜居行星中,离我们最近的是围绕着比邻星公转的行星“比邻星b”(Proxima b)。比邻星也是一颗亮度相当低的红矮星,它与我们的距离仅为4.2光年。比邻星b与比邻星的距离为0.05天文单位,整体平均温度约为234K(?39摄氏度)。对于科幻迷来说,比邻星可是鼎鼎大名。小说《三体》中的“三体人”就被假定住在围绕比邻星的行星上面。

虽然天文学家直到2016年才确认了这颗行星(比邻星b)的存在,但此前有不少小说都假设比邻星存在行星。2019年,天文学家又确认了比邻星的另外两颗行星,比邻星c与比邻星d。不过,比邻星c的存在性于2022年受到了质疑。

就目前的情况来看,如果有一天,我们的后代要坐飞船移居到太阳系外的宜居行星,比邻星b应当是首选。换句话说,如果我们找太阳系外的宜居行星,那我们得找想象中的“三体人”要地盘。

在小说中,“三体人”的科技水平可以碾压地球人;但在现实中,那里可能还没演化出任何高级生命,生活在比邻星b上的生命可能还没水熊虫高级。如果那里真有文明高度远超地球文明的外星生命,他们可以用星冕仪轻而易举地屏蔽太阳光,从而拍摄到地球的图像,根本不用等叶文洁给他们发送地球的坐标才开始行动。所以,笔者认为,将来如果我们要去往太阳系外的宜居行星,大可以放心地去比邻星b开荒,再造一个家园。

当然,这些还只是对遥远的未来的畅想。比邻星虽然相对近,但以当前的科技水平,人类发射出去的飞船也得飞行几万年才可以到达那里;在此期间,人类要在飞船上繁衍上千代。在可见的未来,人类还没有办法实现这样的飞行。因此,即使比邻星b确实宜居,我们短期内也难以企及。正因为如此,我们更要珍惜、爱护这颗宝贵而可爱的蓝色星球——它是我们当下唯一宜居的家园。

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