48光年外，巖石行星首次測到含氦大氣

48光年——這個數(shù)字也許在你腦海中只是遙遠(yuǎn)旅途的一個抽象度量，但就在離我們48光年的地方，天文學(xué)家第一次直接看見了另一顆巖石行星的大氣。而且，它正在從一顆紅矮星那里接收到恰到好處的熱量，使得液態(tài)水有可能出現(xiàn)在這顆行星的表面。說人話就是：我們發(fā)現(xiàn)了一顆包裹著大氣層的、有可能存在液態(tài)水的“地球兄弟”，這是有史以來第一次。

這顆行星名叫LHS 1140 b。當(dāng)2017年天文學(xué)家Jason Dittmann帶領(lǐng)團(tuán)隊第一次在數(shù)據(jù)中將它辨認(rèn)出來時，他們抱著的還只是樸素的好奇心。那一年，系外行星目錄里又添了一個名字——一顆比地球稍大一些的巖石行星，圍繞著一顆溫度不高的紅矮星公轉(zhuǎn)。沒有誰立刻想到，將近十年后，它竟會成為人類探測歷史上一個里程碑式的轉(zhuǎn)折。

但整個故事要從那個“恰到好處”的軌道說起。我們知道，恒星周圍有一個叫做“宜居帶”的區(qū)域：如果一顆行星距離恒星不太近也不太遠(yuǎn)，那么它表面接收到的熱量剛好可以讓水保持液態(tài)而不被蒸干，也不會凍成永恒的冰原。對于太陽這顆中等亮度的恒星來說，地球恰好落在這樣的帶里。對于LHS 1140 b所圍繞的那顆暗紅的、表面溫度僅約3000開爾文的紅矮星而言，宜居帶被極大地壓縮進(jìn)了更小的軌道半徑里。可偏偏，LHS 1140 b的公轉(zhuǎn)軌道就安穩(wěn)地躺在那個溫暖而不燙手的區(qū)間內(nèi)。自從2017年被發(fā)現(xiàn)以來，它就是已知少數(shù)幾顆同時滿足“巖石構(gòu)成”與“宜居帶”雙重要求的系外行星之一。

但光有位置和固體表面還不夠。要成為真正能夠承載某種生物化學(xué)可能性的世界，一顆行星需要大氣——一層氣態(tài)保護(hù)罩，能夠調(diào)節(jié)溫度、阻擋高能輻射，并且在適當(dāng)情況下提供可能參與生命過程的分子。對于太陽系里的巖石行星，比如火星和金星，我們已經(jīng)有能力就地探測或通過軌道器分析它們的大氣。然而一旦目標(biāo)換成了幾十光年以外的系外巖石行星，事情就變得極其棘手。恒星明亮而碩大，行星暗淡而微小，它們緊緊貼在一起的角度使得大氣信號微弱到幾乎被星光吞噬。因此，在很長一段時間里，天文學(xué)家只成功探測到過氣態(tài)巨行星的大氣，因?yàn)樗鼈凅w積龐大、大氣層厚實(shí)，信號更強(qiáng)。至于巖石行星——那就像要在千里之外聽到一根針落地的同時，還要分辨出它是鐵針還是銅針。

正因如此，當(dāng)哈佛大學(xué)剛剛獲得博士學(xué)位的Collin Cherubim和他的同事們將觀測儀器對準(zhǔn)LHS 1140 b，并最終從數(shù)據(jù)中剝離出那顆行星大氣中的氦信號時，整個團(tuán)隊體驗(yàn)到了一種近乎不真實(shí)的感覺。Cherubim在電話里對Space.com的記者說：“我們實(shí)際上直接探測到了存在于大氣中的氦。這是任何一個巖石系外行星的第一次直接探測，這真的令人興奮……然后還有這個額外的好處：它位于宜居帶，這對天體生物學(xué)、可居住性研究和尋找生命來說超級激動人心。這感覺有點(diǎn)像超現(xiàn)實(shí)。”

他話里反復(fù)出現(xiàn)的“直接探測”很值得掰開細(xì)說。過去對待巖石行星的大氣，我們更多是靠間接推斷——比如根據(jù)行星密度低于純巖石應(yīng)有的數(shù)值，猜測它可能帶著一層揮發(fā)物；或者利用凌星時的半徑變化去反推可能存在延伸氣流。但這一次，LHS 1140 b的大氣是實(shí)實(shí)在在“被看見”的。當(dāng)這顆行星從它的恒星前方經(jīng)過時，恒星的光芒會穿透它的大氣邊緣。氦原子會在特定波長上吸收并散射光線，在光譜中留下一道獨(dú)特而微弱的“指印”。正是這道指印，讓天文學(xué)家第一次能夠喊出一句結(jié)論：“嗯，這里有氦。”也正是這聲確認(rèn)，讓LHS 1140 b脫離了“可能擁有大氣”的候選名單，進(jìn)入“已被證實(shí)有大氣”的短名單。

還記得2017年最初發(fā)現(xiàn)這顆行星的Jason Dittmann嗎？他現(xiàn)在也參與了這項(xiàng)新的突破。他笑著回憶說：“這顆行星大概在十年前就被發(fā)現(xiàn)了，而我們直到現(xiàn)在才終于說出，好吧，那里有大氣。”這句話里藏著一整代儀器的迭代和觀測策略的不斷優(yōu)化。從初次探測到確認(rèn)大氣，中間將近十年的時間線，也就是我們今天要重走一遍的事件還原之路。

一切要從2017年前后說起。那時系外行星的研究正處在從“單純積累數(shù)量”轉(zhuǎn)向“精細(xì)刻畫性質(zhì)”的轉(zhuǎn)型期。天文學(xué)家Jason Dittmann與同事們在分析地外行星巡天數(shù)據(jù)時，注意到了一顆編號LHS 1140的恒星有規(guī)律地變暗。這種周期性的亮度跌落，暗示有一顆不可見的天體從恒星面前重復(fù)經(jīng)過。后續(xù)的徑向速度測量則將這顆天體的質(zhì)量鎖定在了大約6.6倍地球質(zhì)量的數(shù)值上——密度推算結(jié)果表明，它幾乎可以肯定是一顆巖石行星，而非氣態(tài)巨行星或水世界。一瞬間，這顆距離我們48光年的世界躍升為當(dāng)時最具吸引力的目標(biāo)：它位于紅矮星的宜居帶內(nèi)側(cè)邊緣，有固體表面，體積與質(zhì)量都與類地行星相似。消息公布后，它迅速被編入“詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡”等高靈敏度設(shè)施的長期觀測清單中——雖然在此次談話和已有文獻(xiàn)里，我們并未見到具體哪一臺設(shè)備執(zhí)行了本次直接探測，但可以理解的是，正是這些年持續(xù)的多波段監(jiān)測積累，才最終讓大氣中的氦信號浮出水面。

不過，緊接著一個顯而易見的問題就冒出來了：為什么是氦？我們地球的大氣里，氦只占微不足道的一小撮，更多是氮?dú)夂脱鯕狻５谟钪娴某叨壬希て鋵?shí)是最常見的氣體之一，僅次于氫。一顆行星如果從形成之初就保有原始大氣，或者它是一顆類似于太陽系里冰巨星那種從星云中吸積了大團(tuán)原始?xì)怏w留下來的天體，那么它的高層大氣中很可能依然有相當(dāng)分量的氦。還有一種可能是，如果這顆行星過去的氫大氣被恒星的強(qiáng)烈輻射緩緩剝離，留下的殘余氣體也可能以更重的氦為主，因?yàn)闅涓菀滋右荨Ｑ芯咳藛T在這次公布的成果中并沒有給出關(guān)于氦來源的確切結(jié)論，他們只是明確地探測到了氦的存在。但僅僅是這一條線，已經(jīng)足以打開許多扇推測的窗：也許LHS 1140 b還保留著部分誕生之初的氣體外殼，也許它曾有過更厚實(shí)的大氣并在漫長的歲月里被紅矮星耀斑削薄到現(xiàn)在這副模樣。無論如何，直接看到氦，就相當(dāng)于找到了一本外星氣候史的扉頁——雖然書頁還合著，但至少我們知道那里有文字。

而且，“在宜居帶里發(fā)現(xiàn)巖石行星有大氣”這個組合，本身就是一劑強(qiáng)烈的科學(xué)興奮劑。沒有大氣，孕育生命的機(jī)會幾乎等于零。以地球的經(jīng)驗(yàn)而言，大氣不僅提供呼吸所需的分子（如果生命走的是有氧呼吸路線），更關(guān)鍵的是它能通過溫室效應(yīng)將行星表面溫度調(diào)節(jié)到可以讓水穩(wěn)定保持液態(tài)的范圍。一顆沒有大氣的宜居帶行星，就像一盆放在溫暖窗臺上卻沒有蓋子的水，日間也許能化凍，但夜間便會凍結(jié)，或者暴露在高能輻射下直接升華逃逸。反過來，當(dāng)一顆巖石行星被確認(rèn)包裹著大氣層，研究人員就有信心深入下一步：這顆大氣中除了氦，還可能有什么？碳、氮、氧的化合物是否潛伏在尚未解析的光譜波段里？再退一步想，即便今天的LHS 1140 b大氣成分相當(dāng)單調(diào)，這層氣體的存在已經(jīng)意味著行星表層與外部環(huán)境之間正在進(jìn)行某種物質(zhì)交換，這是一個動態(tài)的環(huán)境，而不是一塊死寂的巖石。

這就要說到天體生物學(xué)里一場持續(xù)多年的爭論：紅矮星到底適不適合做生命的靠山？一方面，紅矮星數(shù)量極多，壽命超長，環(huán)繞它們的宜居帶半徑小，行星被潮汐鎖定而可能形成半永晝半永夜的環(huán)境；另一方面，紅矮星在年輕時普遍暴躁，會釋放出劇烈的耀斑，可能將行星大氣撕扯殆盡。悲觀者一度認(rèn)為，紅矮星周圍即便有巖石行星落在宜居帶里，也早被吹成了光禿禿的石頭。而這次LHS 1140 b的氦大氣，無疑為樂觀的那一方送上了一份有力證據(jù)。至少在這個具體的案例中，一顆巖石行星成功地在紅矮星身邊保住了自己的大氣層。雖然我們還不知道它保留了多少、成分比例如何、是原始積存還是后期火山噴發(fā)補(bǔ)充，但“存在”本身就是后續(xù)一切討論的前提。

將此時間線拉回當(dāng)下，我們就會理解為什么Collin Cherubim會用“超現(xiàn)實(shí)”這個詞。很長一段時間里，系外行星大氣的研究對象一直是被氫氣主宰的、體型龐大的熱木星。巖石行星的大氣探測，需要觀測設(shè)備在長時間積分中捕捉極其微弱的吸收線，同時還要排除恒星自身活動的干擾、地球大氣層的污染、儀器系統(tǒng)性的噪聲——每一個步驟都需要近乎固執(zhí)的耐心。在十年前，這還是一個停留在紙面上的目標(biāo)。而今，這群研究者跨過了那道門檻，并把第一塊里程碑釘在了LHS 1140 b這顆既有固體表面又有宜居區(qū)劃的星球上。

“直接探測”這個詞還意味著另一層突破：過去我們所談?wù)摰拇髿馓卣鳎蠖嗍强傮w的、定性的推斷，比如“這顆行星密度較低，可能富含揮發(fā)物”。而氦的譜線是一次明確的化學(xué)鑒定。你甚至可以想象，當(dāng)數(shù)據(jù)剛到手中的那個深夜，屏幕上出現(xiàn)的那道吸收線是如何讓幾名年輕的研究者屏住呼吸——它意味著離我們48光年的這顆星球，確實(shí)在用它的氦原子給遠(yuǎn)方的觀測者發(fā)出一道專屬的“時光信號”。因?yàn)閺暮阈?/p>