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人类首次在宜居带行星上发现水?别高兴的太早

2019-09-18    来源:科普中国-科普融合创作与传播

  出品:科普中国

  制作:序列号

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  9月11日,《自然·天文》杂志发表了伦敦大学学院(UCL)一组天文学家的最新研究成果,他们在一颗名叫K2-18b的行星上发现了水蒸气存在的迹象。作为人类已知的第一颗有水且位于宜居带的超级地球,这些吸人眼球的关键词背后,到底意味着什么呢?

  

  K2-18b艺术想象图 图片来源:UCL

  一、激动人心的发现:

  1、两个伟大空间望远镜的结晶

  现代天文学的飞速发展离不开望远镜的功劳,410年前,伽利略第一次把望远镜指向星空,将人类的视野望向了宇宙更远更深处,从那时起,天文学家得以窥探更多用肉眼无法企及的宇宙奥秘。

  这次的发现也是基于两个伟大空间望远镜的数据获得的,可以说是二者成果的结晶。其中一台是目前发现系外行星数目最多的开普勒空间望远镜,在已确认的总共4000多颗系外行星中,开普勒自己就贡献了一半以上(在文章《搜寻下一个地球:新兵亮剑》中,我对开普勒空间望远镜进行过介绍http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_201804/201804/t20180420_30518.html)。系外行星K2-18b的名字就来源于开普勒望远镜后期的K2计划。它在2015年最先发现了K2-18b这颗位于狮子座的系外行星,随后被地面望远镜所证实。由于K2-18b位于潜在宜居带内且“信号”较强,因而受到了众多天文学家的格外关注。

  

  开普勒空间望远镜 图片来源:NASA

  如果说开普勒的贡献是在茫茫星海之中找到了K2-18b的存在,那么另一个家喻户晓的哈勃太空望远镜,则是为探测其大气中的水蒸气提供了关键数据支持。哈勃配备的宽视场相机(WFC)可以在红外波段拍摄天体光谱。在2016-2017两年的时间里,哈勃对K2-18b和它的主星K2-18组成的系统进行了9次观测,每次盯着它们看6.5小时。根据美国宇航局NASA运行哈勃的年度经费推算,单单为了观测K2-18b,就花费了高达数十万美元。不过这钱也砸出了响,正是基于哈勃长时间高质量的观测,才确保了发现水蒸气的可能。

  

  哈勃太空望远镜 图片来源:NASA

  2、一套复杂精细的分析过程

  众所周知行星本身不发光,太阳系内的八大行星由于距离较近,我们还可以看到。但是我们无法直接探测到124光年外的K2-12b,它实在是太遥远太暗弱了,更不要说研究它大气里的水蒸汽了。不过科学家还是通过一系列的“神操作”实现了水蒸气的探测。

  首先,无法直接看到行星,但可以看它绕转的恒星。通过观察行星绕恒星转动时对于恒星遮挡导致地亮度变化,可以发现行星的存在,这就是著名的凌星法,跟金星凌日是一个道理。

  

  凌星法示意动画  图片来源:NASA

  在行星凌星过程中,如果不是只看单一的亮度变化,而是分析不同波长范围的亮度变化,跟把太阳白光拿三棱镜色散成七色光类似,就有了凌星时的光谱。当恒星光穿过行星大气时,行星大气中不同的原子分子会吸收特定波长的光,从而在光谱中留下自己的“指纹”信息,被称为透射光谱。通过分析行星凌星时的透射光谱,就可以捕捉到行星大气中水蒸气、氢气、氮气等的蛛丝马迹。

  

  透射光谱示意图  图片来源:Christine Daniloff/MIT, Julien de Wit

  方法说起来不难,但受限于哈勃的探测能力,对于遥远、暗弱、个头又小、大气中各种成分又不明的行星来说,要想成功探测到各种气体信号,是困难重重。科学家还为此专门发明了一种被称作空间扫描观测的方法,来提高光谱的信噪比。后续数据处理则需要经过细致的改正定标等,才能最终提取出凌星发生时行星在不同波段处的信号。将这些信号与理论的行星大气模型进行比对,最终确定行星大气可能的成分和大概的比例。

  3、两组独立研究的相互印证

  利用专门开发的数据处理程序和细致的分析,英国伦敦大学学院Angelos Tsiaras带领的团队最终在K2-18b的透射光谱中发现了水蒸气存在的痕迹。他们在2018年5月底将结果以论文形式投给了《自然·天文》杂志,但是直到一年多以后,论文才被正式接受,几天前才以快报形式正式发表。对于一篇快报文章来说,这中间耽搁的时间可不短。其中很大的一部分原因,就是这一重要结果的确认,需要等待同行的审阅,并且要有其他工作的验证。

  由加拿大和美国科学家组成的另一个独立研究小组,对于哈勃拍摄的同样数据,结合其他望远镜的更多数据,通过他们自己的分析处理,也确定了K2-18b大气中水蒸气的存在,这就证实了英国团队的结果。只不过加美团队的发现晚了一步,没能够被媒体大众所熟悉。

  正是有了先进的望远镜设备为基础,科学家巧妙的观测方法和细致的处理分析为保障,加上两个互相独立团队结果的相互印证,才使得人类第一次在宜居带行星上找到了水的蛛丝马迹。

  那这一发现是否意味着我们离证实外星生命更进一步了呢?恐怕还不能高兴的太早。

  二、离“可以移民的第二个地球”还很遥远:

  很多读者看到新闻可能就会浮想联翩,有水宜居,那就可能有生命啊!有生命,说不定就可以演化成高级智慧生命,会不会跟地球接触?或者我们可不可以移民到那里去?

  很多时候,科学发现和我们美好的想象之间还差着十万八千里。大家先冷静下来,看完下面的三个不等号就知道了。

  1、宜居带 ≠ 一定宜居

  位于宜居带内的K2-18b一定宜居吗?其实所谓的宜居带,是一个较为宽泛的概念。根据恒星向外发光发热的强度,可以圈定一个行星距离恒星的距离范围,在这个范围内的行星,其表面温度适宜能够支持液态水的存在,就称为宜居带。

  

  不同类型恒星的宜居带(绿色部分表示) 图片来源:NASA

  根据推测K2-18b表面温度可能在0度到40度之间。虽然K2-18b恰巧落在了宜居带内,但K2-18b围绕的恒星与太阳迥异。K2-18是一颗温度比太阳低很多的M型矮星,它虽然没有太阳热,个头质量也小,但却很可能比太阳暴躁得多:其色球层活动剧烈,不时会有巨大的耀斑爆发,向外抛射各种高能粒子。通俗点说,它就像“小哪吒”一样,时不时爆发一下把周围搞得乱七八糟。此外,K2-18b和它的距离更近,只有日地距离的七分之一。我们地球的情况比它好得多,还必须要靠磁场和大气层保护,才能抵御很多太阳的辐射攻击;K2-18b更近距离得面对这样一个大魔王,显然其宜居性要打一个大大的问号。

  

  K2-18b的主星有可能像小哪吒一样暴躁 图片来源:《哪吒》剧照

  2、超级地球 ≠ 地球

  质量在1-10倍地球质量之间的系外行星,由于比太阳系的冰巨星(天王星海王星)质量小一些,在太阳系内并没有合适的行星与之对应,科学家就给它们起了个“超级地球”的名字。K2-18b质量是地球的8倍多,半径是2.7倍,显然个头体重都比地球大不少。所以这个超级地球跟我们地球还是很不一样,大家都知道超人和人还是有区别的。这也难怪Angelos Tsiaras 在接受媒体采访时都一再强调:“K2-18b不是地球2.0,它比地球重很多,大气组成成分差别也很大!”

  

  类似“超人”的超级地球  图片来源:图片来源: JerryOrdway

  3、有水 ≠ 有生命

  上文提到,发现水经过了一系列复杂的分析过程。根据大气模型与观测数据拟合结果,与数据匹配较好的三种大气模型中都有水的存在,统计学上的置信度也很高。但是受限于数据精度,具体到水的含量则从0.01%到50%不等。换句话说,K2-18b大气中,最乐观的情况下,可能有一半的水蒸气,但也很有可能水的含量微不足道,绝大多数是氢气、氦气和氮气。而且其他常见气体如甲烷氨气等,现有的设备压根探测不到,也就不排除它们可能存在从而挤占水蒸气比例的可能。

  此外,虽然水是生命之源,是普遍认知上生命存在的必要条件,但水的存在并非生命存在的充分条件,更多其他物质环境以及生命演化所需的苛刻条件叠加在一起,才可能孕育出生命。就像英国团队自己所评价的那样,“我们的发现虽然激动人心,但这绝非表明发现了生命!”

  三、不失为好的开始:

  迄今为止,我们脚下的这颗宇宙中的“暗淡蓝点”,依然是目前已知唯一存在生命的星球,K2-18b上水的含量还不得而知,是否真的有生命更是难以知晓,但这次的发现却不失为一个好的开始。

  天文学家从第一次发现太阳系外行星,知道除了八大行星以外还有其他行星存在;到现在通过开普勒望远镜的结果,推断系外行星在宇宙中跟我们看到的恒星一样普遍,只用了短短24年的时间。从第一次在木星大小的系外行星上探测到水,到今天能够在宜居带的超级地球上发现水的存在,也只花了12年。科技的进步使得系外行星领域的新成果层出不穷。

  2021年,接替哈勃的新一代太空望远镜——詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)将要上天,欧洲专门用于系外行星大气研究的ARIEL望远镜也计划于2028年升空。届时,更高的探测能力和更宽的光谱覆盖范围,将会揭开K2-18b中水蒸气的确切含量和更多的大气组成。

  

  JWST(左)和ARIEL(右)望远镜 图片来演:NASA/ESA

  人类目前已经发现了数百颗超级地球,未来也会有更多跟地球类似的行星被找到,新一代空间望远镜使得研究更加暗弱的系外行星大气成为可能,更大样本的观测将帮助人类理解宜居带行星的组成和气候,离推断其表面是否孕育生命,也将更进一步。