 撰文 | 鄭永春（中國科學院國家天文臺、中國科學院青年創新促進會） 哥倫比亞大學天體生物學家Scharf說， “這是一個震撼人類種族心理的時刻！” “海內存知己，天涯若比鄰。” 在我們的太陽系附近，就有一顆離我們最近的恒星——比鄰星，與我們的地球之間僅為4.23光年。雖然經過NASA過去幾年的新聞轟炸，發現新的系外行星早已經不是什么新鮮事了，“第二個地球”的說法也已經被濫用。但在距離我們那么近的地方，發現了一顆和地球差不多大小的星球，仍然讓人為之振奮。天文學家在比鄰星附近到底發現了什么？他們是怎么發現的？人類有生之年能否抵達那里？看看離地球最近的系外行星是什么樣的？春哥知道你想了解什么，盡己所能，奮筆疾書，為你逐一解讀。 熱鬧非凡的巴西里約奧運會剛剛落幕，不甘寂寞的天文界立馬爆出大新聞。8月24日晚（歐洲中部時間），位于智利的歐洲南方天文臺（European SouthernObservatory, ESO）召開新聞發布會，宣布在離太陽系最近的恒星——比鄰星周圍，發現了一顆位于宜居帶內的行星！相關論文今天在Nature雜志線上發表，說明這一發現并非聳人聽聞，而是通過了嚴格的同行評審。  歐洲南方天文臺新聞發布會現場  歐洲南方天文臺官方網站發布頭條新聞，標題是：最近恒星周圍的宜居帶發現行星。1發現了什么 Nature雜志新聞宣稱，“這是天文學的美夢成真！也將是未來星際航行的鎖定目標！” 天文學家在太陽系外發現了一顆新行星，它被命名為比鄰星b（Proxima b），距離它的母星比鄰星只有700萬千米（0.047天文單位）。而太陽系最靠近太陽系的行星——水星，到太陽距離為57,91萬千米（0.38天文單位）。這顆新行星到母星的距離僅為水星到太陽距離的12%，非常靠近其母星。 新行星繞比鄰星一圈只需要11.2天，而水星繞太陽一圈需要88天，地球繞太陽一圈需要365天。 雖然離母星的距離非常近，但由于比鄰星是一顆紅矮星，質量僅為太陽的0.123倍，光度僅為太陽的1.55‰，表面溫度約為2800K，所以比鄰星b仍處于母星的“宜居帶”中，表面溫度可能處于液態水可以存在的范圍。 比鄰星是南門二（半人馬座α）三合星系統中的三顆恒星之一。相較于南門二雙星來說，比鄰星距離地球僅4.23光年，更靠近地球，是真正的太陽系隔壁鄰居。所以，本次發現相當于鄰居家發現了新成員，自然引起了全球媒體的廣泛關注。  比鄰星比南門二雙星這兩顆恒星更靠近太陽。2怎么發現的 《科學美國人》雜志宣布，“人類發現可能適宜生命的行星就在隔壁，這將重塑科學歷史以及人類星際航行的夢想！” 近幾年，天文學家從未停止過對比鄰星（包括南門二雙星）周圍行星的探測， 今年上半年，歐南臺位于智利拉西拉天文臺（La Silla）3.6米口徑HARPS光譜儀（高精度徑向速度行星搜索器，High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，簡稱HARPS）對比鄰星進行了細致觀測。由于比鄰星亮度非常低，視星等只有11等，比相鄰的南門二暗幾萬倍。比鄰星的亮度在地球上完全無法靠肉眼觀察，即使通過地面望遠鏡要觀測也并不容易。 天文學家是如何發現這顆黯淡恒星周圍的行星的呢？我們知道，當一顆行星繞其恒星運轉時，行星的引力作用會使這顆恒星的視向速度發生微弱變化。這一變化反映在恒星光譜的吸收線上，將產生非常小的多普勒效應。為探測這種特別微小的多普勒位移，科學家發明了HARPS，能探測到比人類步行速度還慢（小于每秒1米）的多普勒位移。HARPS光譜儀成功捕獲到比鄰星存在非常微小的前后擺動。所謂視向速度，及我們觀察時看到恒星在靠近地球方向和遠離地球方向的速度， 有趣的是，早在2013年，歐洲南方天文臺和美國的部分天文望遠鏡設備就已經發現了比鄰星b的蛛絲馬跡，但觀測結果還不是很有說服力。赫特福德大學（University of Hertfordshire）的青年天文學家 Tuomi 和 Anglada-Escude 首次注意到這顆行星的痕跡。但由于資歷較淺，他們很難申請到望遠鏡的使用時間，只能將科研精力放到他人已經發表的觀測數據上。  Tuomi和Anglada-Escude根據2000-2008年收集到的觀測數據顯示，比鄰星的視向速度每隔11.2天就有一個小擺動，幅度僅為1.4m/s（如上圖）。雖然，這一擺動很有可能是環繞比鄰星運行的行星的引力干擾導致的。但由于觀測數據不夠充分，他們撰寫的科研論文被拒絕接收。 今年1月開始，情況出現好轉，Anglada-Escude等說服歐洲南方天文臺，每天給他們20分鐘的觀測時間，持續觀測60天。由于比鄰星是一顆黯淡的紅矮星，所以這個新的觀測項目被稱為“黯淡紅點”計劃（Pale Red Dot）。他們把最新觀測的數據、以及歐洲南方天文臺及其他天文臺的早期觀測數據相結合，得到了非常清晰、遠超噪音水平的信號——他們在比鄰星周圍發現了一顆新行星。 “在60個不眠之夜里，我每天都會仔細檢查數據，” Anglada-Escude說，“前10天的觀測數據似乎充滿希望，前20天的觀測數據則符合我們的預期，到前30天的時候，一切看起來已經確鑿無疑！所以我們馬上動手寫論文。”8月24日晚上，他們的論文在Nature雜志在線發現，并正式向公眾宣布這一新發現。 觀測數據顯示，比鄰星有時以5千米/小時的速度靠近地球，有時候又以相同速度遠離地球。這個微小的變化正好處于HARPS的探測能力內，天文學家由此推算出視向速度的重復周期為11.2天。再進一步分析，推算出造成這種觀測結果的原因，可能是比鄰星周圍存在一顆約為1.27倍地球質量的行星。 當然，研究團隊仍然十分謹慎，利用其它望遠鏡設備逐一排除其他可能性。比如，相較于太陽而言，紅矮星本身的質量很小，光度也很弱，會表現出類似行星的特征。 論文作者之一，卡耐基研究所的天文學家Butler說，“在不長的時間內，我們將星體視向速度的測量精度從300m/s提高到驚人的1m/s，這使我們未來將發現大量系外行星！”Bulter指出，“這也說明，適宜生命的類地行星并不罕見，未來可以通過大型地面或空間望遠鏡直接觀測。” 這個發現與今年人類在兩處LIGO設施首次探測到引力波信號有異曲同工之妙，“大自然小心翼翼地掩蓋著自己的秘密，”Butler說，“但你不會碰巧在兩個不同儀器上發現相互吻合的數據！”3難道又是第二個地球 論文作者、英國Queen Mary大學天文學家Anglada-Escude說，“許多系外行星已經被發現，更多的行星也會被不斷發現”，“但是在距離我們最近的地方發現類地行星，哇，這對于我們而言是平生僅此一次的難忘經歷！” 研究團隊發表了兩篇論文，討論比鄰星b的宜居性及其氣候。他們發現，目前這顆星球上在特定條件下可能存在液態水，在陽光最充足的地區，液態水或許能存在于地表。比如，類似月球以同一面朝向地球，這顆新行星同步自轉時朝向比鄰星的那一面，或像水星與太陽那樣以3:2共振時的熱帶地區。 比鄰星b的自轉較特，加之受恒星輻射和行星形成歷史的影響，比鄰星b上的氣候將完全不同于地球。這顆新行星上不存在四季變化。  比鄰星b的約為地球的1.3倍，很可能是一顆巖石星球，如上圖所示，估計形成于49億年前。比鄰星b上收到的熱輻射強度是地球的65%，位于比鄰星的宜居帶內，如下圖所示。表面溫度約為零下40攝氏度，相當于地球上的南極。這顆新行星有可能存在大氣層和液態水，但還沒有任何證據支持這一論斷。 由于距離比鄰星實在太近了，新行星上將遭受到非常強烈的紫外線和X射線照射，比地球周圍的太空環境更為惡劣，也很難適合生命生存。4人類有生之年能去成嗎？ 論文作者之一，卡耐基研究所的天文學家Butler說，“這一發現是人類過去30年天文探索不懈努力的巔峰之作”。 系外行星觀測的進展表明，銀河系中的每一顆恒星，都可能有自己的行星。人們甚至估算，每一顆冷星（cool star）周圍都有20%的概率存在一顆適宜生命生存的類地行星。這個概率已經相當之高。比鄰星周圍發現新行星的事實告訴我們，太陽系之外還有許多我們的兄弟姐妹，在等待著我們去發現。 在過去幾個世紀里，人類觀測到的宇宙圖景不斷被刷新，不斷被顛覆。當我們的目光觀測到越來越深遠、越來越黯淡的宇宙，我們的地球、人類和太陽系本身都顯得越來越渺小。在大多數人被瑣事纏身的時候，我們也需要駐足遠望，低頭沉思，浩瀚的宇宙中是否有我們的同類，抑或整個宇宙中只有人類孤獨終老？ 比鄰星b上的環境是否適宜生命還有很多疑問。Anglada-Escude說，下一步的主要工作，就是要在比鄰星b上尋找生命存在的可能性。 發現離太陽系最近的類地行星，不禁讓春哥想起了霍金等前不久剛剛提出的突破攝星計劃。由俄羅斯投資大亨尤里·米爾納等金主站臺的這一大膽計劃，目標正是比鄰星所在的半人馬座阿爾法星。 2016年4月13日上午8時，著名天體物理學家史蒂芬·霍金在紐約更新了剛開張的新浪個人微博，宣布將啟動一個超級科研項目——“突破攝星”計劃：建造一個激光推進的微型星際飛行器，預計最快用20年抵達離太陽系最近的恒星系統——半人馬座阿爾法星。 “突破攝星”計劃由美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心前總監沃爾登帶領，背后的金主是俄羅斯互聯網投資人尤里·米爾納。除霍金外，Facebook創始人馬克·扎克伯格也參與了該計劃的監督委員會。目前，該計劃已經獲得高達1億美元的經費支持。 計劃中提出的“納米飛行器”，可以在短短幾分鐘內加速到光速的五分之一，即每秒鐘飛行六萬公里。相比之下，人類歷史上飛行速度最快的航天器——“新視野號”在飛越木星加速后的峰值速度也僅每秒鐘飛行20公里（每小時7.5萬公里），以這一速度飛到冥王星就用了10年時間，如果以這一速度飛到比鄰星，則至少需要一萬四千年以上，顯然是人類很難接受的。 因此，米爾納和霍金希望研制速度為0.2倍光速的“納米飛行器”，用21年就可以飛到4.22光年之外的比鄰星。目標是希望快速抵達離我們最近的另一個恒星系統，去探索那顆恒星周圍的行星，在帶去人類信息的同時，也把那里的信息帶回地球。 “突破攝星”計劃盡管非常激動人心，但目前只能算是一項基礎研究項目，在理論上是可行的，但距離真正的工程實現，還需要相當漫長的時間。人類航天器在我們的有生之年，還基本上不可能飛出太陽系，當然也不可能飛到這顆新行星上。 不管怎樣，在離我們最近的恒星周圍發現了一個新成員，相當于我們的隔壁鄰居家來了一位不速之客，素來少人問津的庭院一下子熱鬧起來。當然，喧囂之后，一切將重歸寧靜。 太空，依然很空。 |
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