哈佛研究者：首次在宜居帶巖石系外行星確認(rèn)大氣層，距地球僅49光年

“這是人類第一次在太陽(yáng)系外，真正在宜居帶的巖石行星上觀測(cè)確認(rèn)大氣層的存在。”哈佛大學(xué)行星科學(xué)家科林·切魯比姆在接受采訪時(shí)，用一句簡(jiǎn)短的話，概括了一項(xiàng)讓天文學(xué)界興奮的進(jìn)展。他和同事剛剛在《科學(xué)》雜志上報(bào)告，一顆距離我們僅49光年的系外行星，可能擁有孕育生命所需的三大條件——巖石質(zhì)地、宜居溫度，以及一項(xiàng)此前從未被直接證實(shí)的特征：一層包裹在外的氣體外衣。

這顆行星名叫LHS 1140 b，2017年被發(fā)現(xiàn)，屬于“超級(jí)地球”。所謂超級(jí)地球，是說(shuō)它比我們的家園大，又比氣態(tài)巨行星海王星小，是一顆巖石構(gòu)成的固態(tài)星球。它的半徑約是地球的1.7倍，質(zhì)量則達(dá)到地球的5.6倍。放在宇宙尺度下，49光年幾乎是隔壁鄰居，但在行星大氣探測(cè)領(lǐng)域，這個(gè)距離剛剛好——既夠近到讓望遠(yuǎn)鏡能捕捉蛛絲馬跡，又足夠遠(yuǎn)到讓每一次信號(hào)都珍貴得像來(lái)自深海的回音。

LHS 1140 b的公轉(zhuǎn)速度很快，只用大約25天就能繞它的主星跑完一圈。這顆主星是一顆紅矮星，天文學(xué)家相信，宇宙里80%的恒星都是這一類。比起我們的太陽(yáng)，紅矮星質(zhì)量小得多——通常在太陽(yáng)的0.08到0.6倍之間——表面溫度也更低，但它們的壽命極長(zhǎng)，可以持續(xù)燃燒數(shù)十億甚至上萬(wàn)億年。如果你愿意用經(jīng)濟(jì)適用房來(lái)形容它們，那太陽(yáng)就是一棟燃著大火的豪宅。紅矮星“省著燒”的特性，讓圍繞它們運(yùn)行的行星有更充裕的時(shí)間窗口來(lái)醞釀生命的化學(xué)過(guò)程。

正是因?yàn)榧t矮星又小又冷，用凌星法搜尋它們身邊的行星變得相對(duì)容易。凌星法的原理很像一次微型日食：當(dāng)行星從我們的視線方向經(jīng)過(guò)主星前方時(shí)，會(huì)遮擋住一小部分星光，造成恒星的亮度出現(xiàn)周期性的輕微下降。行星越大、主星越小，這種亮度變化的信號(hào)就越明顯。此次研究的另一位作者、卡內(nèi)基天文臺(tái)的行星科學(xué)家施雷亞斯·維薩普拉加達(dá)指出，紅矮星系統(tǒng)為尋找宜居區(qū)行星提供了很好的機(jī)會(huì)，因?yàn)橐司訋щx低溫恒星更近，行星公轉(zhuǎn)周期短，所需觀測(cè)時(shí)間也更可控。

氣氛鋪墊到這，真正讓人興奮的還是那層氣態(tài)膜。在一個(gè)巖石行星上確認(rèn)大氣層，尤其是位于宜居帶的巖石行星，堪稱系外行星研究里最難啃的骨頭之一。地球之所以能鎖住液態(tài)水、抵擋大部分宇宙射線、維持一個(gè)相對(duì)溫和的氣候系統(tǒng)，大氣層是幕后功臣。沒(méi)有它，海洋會(huì)蒸發(fā)逸散，地表將直面流星和致命輻射。所以，這次在LHS 1140 b上找到大氣層的跡象，相當(dāng)于在宇宙地圖上標(biāo)下了一個(gè)“值得重點(diǎn)跟進(jìn)”的候選目標(biāo)。

但請(qǐng)注意我們使用的措辭：跡象。切魯比姆團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)，并不是通過(guò)拍攝行星照片、直接看到那里云蒸霞蔚那樣科幻電影的劇情。他們仰仗的是智利麥哲倫粘土望遠(yuǎn)鏡上一臺(tái)光譜儀器，專門(mén)搜尋行星高層大氣中可能存在的信號(hào)。行星大氣里的分子和原子，在特定條件下會(huì)被恒星的光“激發(fā)”，然后重新發(fā)射出具有特征波長(zhǎng)的光。這就像給大氣成分拍了一張間接的X光片——你不是直接看到水或二氧化碳，而是看到它們留下的光學(xué)“指紋”。

在地球上檢測(cè)大氣相對(duì)簡(jiǎn)單，但在49光年外，挑戰(zhàn)在于行星本身及其大氣層在恒星光輝下微乎其微。維薩普拉加達(dá)坦言，像水蒸氣和二氧化碳這類可能與生命相關(guān)的分子，通常集中在行星大氣的低層，靠近地表的地方，要從這么遠(yuǎn)的距離上把它們分辨出來(lái)幾乎不可能。所以他們把目光投向了高層大氣——那里物質(zhì)雖稀薄，卻更容易被恒星的輻射照亮，形成可識(shí)別的光譜特征。2024年的一次觀測(cè)中，他們?cè)跀?shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)了受激發(fā)的原子光信號(hào)，這成為推斷大氣層存在的關(guān)鍵依據(jù)。

到這里我必須要做一次嚴(yán)肅的剎車。科學(xué)研究里有一個(gè)分界線——什么東西是“觀測(cè)證據(jù)”，什么東西是“合理推斷”。這次的大氣層屬于后者：研究團(tuán)隊(duì)看到的光譜信號(hào)，用現(xiàn)有模型最好的解釋就是存在一層氣體包裹著行星。但究竟是哪種氣體、有多厚、具體構(gòu)成如何，目前通通未知。就像你在夜里看見(jiàn)草叢里有光點(diǎn)閃爍，你猜是螢火蟲(chóng)，卻還沒(méi)有捉到手電筒照清楚——它也可能是一顆發(fā)光的種子，或者是某種完全沒(méi)被命名的反射現(xiàn)象。

因此，當(dāng)聽(tīng)到“宜居”“可能有水”“和地球相似”這些詞時(shí)，很容易產(chǎn)生一種誤讀——以為那邊已經(jīng)有了一個(gè)藍(lán)色水世界，就差買(mǎi)船票了。事實(shí)遠(yuǎn)不是這樣。LHS 1140 b的三個(gè)加分項(xiàng)分別來(lái)看：巖石質(zhì)地相對(duì)確定，它的質(zhì)量和半徑都符合巖石行星的模型；位于宜居帶，意味著它接收到的恒星輻射，理論上可以讓水以液態(tài)存在；但現(xiàn)在這個(gè)大氣層的發(fā)現(xiàn)，才是讓前面兩個(gè)條件真正聯(lián)動(dòng)起來(lái)的粘合劑。有了大氣，溫度才可能被調(diào)節(jié)，水才可能被束縛在地表，而不是像彗星尾巴一樣被吹走。換句話說(shuō)，大氣層是讓“可能有水”從數(shù)學(xué)題變成物理題的關(guān)鍵一步。

然而，謹(jǐn)慎的研究人員在論文和采訪中反復(fù)強(qiáng)調(diào)兩個(gè)事實(shí)：一，他們還沒(méi)有探測(cè)到任何生命活動(dòng)的信號(hào)；二，這顆行星到底有沒(méi)有液態(tài)水還是一個(gè)未知數(shù)。宜居帶的概念本就是一個(gè)概率游戲。就算是地球，早期也曾完全冰封，后來(lái)才慢慢演化出適合生命的條件。更何況圍繞紅矮星的行星還面臨一個(gè)特有的麻煩——紅矮星在年輕時(shí)往往暴躁，頻發(fā)耀斑，可能剝離行星大氣。但這次發(fā)現(xiàn)反而暗示，LHS 1140 b的大氣或許幸存了下來(lái)，這對(duì)理解紅矮星系統(tǒng)的宜居性本身就是一個(gè)重要信號(hào)。

那我們?cè)撛趺纯创@則新聞？可以把它理解成一個(gè)“驗(yàn)證路徑”的勝利。多年來(lái)天文學(xué)家一直在搜尋距離合適、溫度適宜、覆蓋著大氣的巖石行星，因?yàn)檫@是地外生命搜索最實(shí)際的切入點(diǎn)。這次工作證明，用現(xiàn)有地基望遠(yuǎn)鏡，借助紅矮星系統(tǒng)的天然便利，就有可能找到這樣的大氣指紋。這為未來(lái)更大、更靈敏的望遠(yuǎn)鏡鋪了路——雖然下一代太空望遠(yuǎn)鏡的日程仍在規(guī)劃中，但至少我們知道，當(dāng)它們對(duì)準(zhǔn)LHS 1140 b時(shí)，這里有一層大氣在等著被細(xì)細(xì)剖析。

科學(xué)從來(lái)不是一蹴而就的。切魯比姆和團(tuán)隊(duì)邁出了確認(rèn)大氣層的第一步，接下來(lái)就是爭(zhēng)取觀測(cè)時(shí)間，看看這層氣態(tài)包裹里到底有沒(méi)有水、二氧化碳和甲烷這樣的分子。倘若哪一天，在這些光信號(hào)里發(fā)現(xiàn)了生命活動(dòng)的化學(xué)蹤跡，49光年外的那個(gè)25天公轉(zhuǎn)一圈的超級(jí)地球，也許真的會(huì)成為我們?cè)谟钪嬷械牡谝粋€(gè)“有空氣的鄰居”。而在那之前，我們能做的最好的事，就是既不停止好奇，也不急著下結(jié)論。