它们都去哪儿了:系外行星的新世界

第1章 不再是祖辈时候的银河 宇宙，曾经是一个无比简单的地方。我们生活在一个宁静的太阳系中，九颗行星2环绕着一颗普通的恒星，一同淹没恒星系统的话，人们假想它们应该也很像我们的太阳系。那么其他恒星系统中是否可能有生命存在呢？人们既友好地质疑它们的存在，又同时深深沉浸于《星际迷航》和《星球大战》这样的故事和遐想之中。在这些科幻探险故事里，银河系总是居住着有趣（也常常具有攻击性）的生命—而且还会说英语。然而，一个不争的事实是：我们在很长一段时间里只知道唯一一个恒星系统，我们置身于“孤证的诅咒”之中。 无论是一个恒星系统还是一种蝴蝶，如果你对一种东西只知道唯一一个样本，很自然的猜测就是，下一个找到的这类东西一定和之前这种一样。还是以蝴蝶为例，如果你只见过帝王斑蝶这一种蝴蝶，那么很自然地，你会认为所有蝴蝶都应该是这样巨大的、橙色的，而且还会每年迁徙到加利福尼亚州某个固定的地方去。那么，当你一旦见到菜粉蝶这种小个头、白色的，而且不迁徙的蝴蝶时，会很自然地感到迷茫和困惑。这时候，你的科学家同行会开始争论，认为你看到的菜粉蝶压根就不是蝴蝶，而只是一种甲虫而已。但*终，等到你更进一步探索这个问题后，会发现菜粉蝶只不过是一个开端，自然界其实有数千种不同种类的蝴蝶—通向一个复杂而多样到令人惊讶的新世界的大门，已经缓缓打开了。你终将意识到，自己*初的那个认为世界上只有一种蝴蝶的观念，不仅完完全全是错的，而且阻碍了你探索这个复杂的真实世界的脚步。 在本书里我们将会看到，人类近期对系外行星，也就是对宇宙中太阳系之外的其他行星的探索过程，其实和上面这个认识蝴蝶的故事极其相像。仅仅在30年前，大多数科学家还认为可以以我们所知的物理和化学规律为基石，来完美地解释太阳系中天体的起源和演化。根据这些规律，我们曾经认为任何其他恒星系统中的行星也一定是这么分布的：内侧是小型岩质行星，外侧是巨大的气态行星—就像太阳系那样。然而，正如认识蝴蝶的比喻一样，我们打从一开始就在以预先设定的观念来探索太阳系以外的世界。也正如蝴蝶的故事中一样，当我们真的看到了外面的世界之后，也终将被这个世界令人惊讶的复杂和多样所折服。 行星带来的惊喜令人应接不暇。甚至在我们走出“自家后院”，探索太阳系外之前，对太阳系的认知就经历了巨大变革。我们开始发现，不同于那些安静地环绕太阳运转的行星，外太阳系的卫星别有一番洞天。举其中一个例子，木星的卫星木卫二的冰层之下，其实有一个广阔的液态水海洋，这让它一跃成为科学家试图寻找地外生命的热门天体。除此之外，我们还从木星的其他卫星、土星的卫星土卫二，甚至冥王星的冰层之下发现了液态水海洋。也就是说，液态水似乎并不是地球所独有的，甚至仅仅在我们的太阳系中都广泛存在。过去那个“液态水只能存在于天体表面”的固有观念，则完全是错误的。 当我们开始探寻太阳系更外围的区域时，一切变得更加有意思了。我们会在第4章简单介绍冥王星“降级”的故事，不过事实是，冥王星的降级其实打开了太阳系中一个新世界的大门。这个叫作柯伊伯带的地方，是一个盘状分布、延伸到冥王星以外的小天体聚集地。柯伊伯带以荷兰天文学家杰拉德·柯伊伯（1905—1973）命名，他在1951年对这个区域的存在做出了重要的理论推测。尽管在这之前，人们已经知道这个盘状区域很久了，但那时候普遍认为柯伊伯带天体远没有太阳系内侧的几颗行星那么重要。确实，本书的其中一位作者詹姆斯·特赖菲尔就曾经把柯伊伯带比作一座重要的大厦完成后留下的边角料。 然而，在天文学家发现柯伊伯带确实是诸多矮行星的发源地，而非仅仅是一些无足轻重的小石块群之后，这一态度迅速发生了改变。在这些矮行星中，有些大小和冥王星相当，有些甚至还有卫星。如今，一些天文学家估算这里可能有几十颗矮行星，数目力压太阳系中包括地球在内的行星。换句话说，在我们“走出”太阳系之前，“九大行星环绕太阳运转”的固有认知就已经被打破了。这一事件中的主角冥王星，则从被拒之门外的孤独“降级者”，转而华丽变身为未知新世界的“领跑者”。 寻找系外行星 人类搜寻环绕其他恒星的行星已有很长的历史，我们将在第3章详细讨论搜寻系外行星的种种困难和问题。尽管如此，你还是可以想象到，当我们在1992年终于找到**个这样的行星系统时有多么惊喜。这些新发现的行星虽然确认无疑是存在的，但它们所环绕的母恒星却不是一颗通常意义上的“恒星”，而是一颗脉冲星。脉冲星是一种体积很小、密度极高、快速自转的天体，是巨大的恒星在超新星爆发之后留下的残骸。超新星爆发事件标志着某些类型的恒星演化的终结，剧烈的爆发会把大量物质“炸飞”，散逸入宇宙空间。可以想象，如果有行星不幸环绕着这样的恒星将会面临怎样的命运—它会被完全摧毁。也就是说，这个发现了行星的系统中本不应该有行星存在。 发现脉冲星的行星给我们带来了*初的惊喜，接下来则轮到探测到主序星的行星。早先可以探测系外行星的方法（我们在第3章会详细介绍）是探测行星的引力拖曳引起的恒星运动微小变化。显然，这种方法只在探测质量很大的行星时才有效—因为大行星才有能力对恒星产生较大的引力拖曳。这种方法有时也被用来观察我们太阳系中的天体，例如我们可以看到木星对太阳的引力影响会比地球显著得多。 总之，通过这种方法探测到的系外行星往往非常巨大，大多属于“热木星”。这是一种质量非常大的行星（通常几倍于木星的质量），以距母恒星非常近的距离环绕运行（通常比水星到太阳的距离还要近）。但是根据我们对太阳系的固有认知，热木星是不可能存在的，因为系外行星系统应当和我们的太阳系一样，或者说，木星这样的气态巨行星应当形成于距离母恒星很远的地方，而非附近。这不仅令人惊讶，也意味着又一个固有观念被打破。随着发现越来越多的热木星，天文学家甚至开始怀疑：太阳系外的恒星系统里，到底有没有和我们的太阳系相似的？ 不过人们很快就发现，这种担忧是完全不必要的，因为我们之所以一开始发现了那么多热木星，仅仅是因为当时的探测技术只能探测到大而重的系外行星。而随着2009年开普勒探测器的发射，形势迅速发生了改变。开普勒探测器搜寻系外行星的基本方法是“凌星法”，也就是寻找行星飞过恒星前面并遮挡住一部分恒星光芒时引起的恒星亮度变暗。我们将在第5章详细介绍这颗了不起的探测器的细节。 不过有一点我们应当认识到，那就是凌星法只适用于公转轨道符合一定条件的行星，因为只有行星的公转轨道能够穿过地球和恒星之间的时候，这种方法才有用。也就是说，如果一颗行星的公转轨道面垂直于从地球看恒星的“视线方向”的话，我们是无法通过凌星法探测到这颗行星的。此外，开普勒探测器其实仅仅搜寻了整个天空一片很小的区域——也就比我们从地球上看满月的那个角度范围大几倍吧。尽管如此，开普勒探测器在近10年的观测里已经确认发现了近3000颗系外行星。 还是继续说说惊喜！开普勒探测器带来的**个惊喜当然是系外行星惊人的数目。天文学家迅速意识到，如果按开普勒探测器搜寻到的系外行星数目把它的探测天区扩大到整个银河系，那么银河系中必然还能找到更多行星。也就是说，恒星周围诞生行星系统并不是一个偶然事件，而是非常普遍的事。就像本章一开始举的蝴蝶的例子，我们不得不调整观念，告诉自己宇宙远比我们想象得复杂和多样。 在*初的震撼平复之后，新的惊喜接踵而至。随着探测技术的不断提升，各种各样新奇的行星开始涌现。热木星慢慢退出人们的视野，转而让位于各种新发现的行星种类。这里仅简单列举一些新的行星类型，我们会在接下来的各章里详细讨论其中一部分类型： ? 超级地球：数倍于地球大小的岩质行星，似乎数目众多。 ? “泡沫”行星：密度极小的行星，以至于我们无法解释为什么它们没有因为自身的重力而坍塌。 ? 钻石行星：主要由碳组成的行星，可能具有钻石的幔层和液态钻石的内核，后者是地球上所未知的物质。 ? 环联星行星：环绕着多颗恒星（目前*多的达四颗）公转的行星，这样的行星系统曾被认为是动力学上不可能形成的。 ? 热地球：距离母恒星太近，以至于表面的岩石会气化的行星。这类行星在转动时，会有固态岩石像“雪片”一般从空中簌簌掉落。 ? 流浪行星：不固定环绕任何一颗恒星的游荡行星。银河系中的大部分行星可能都属于这一类。 面对如此之多（而且还在不断增多）的系外行星种类，我们不得不放弃之前对行星系形成理论的认识并承认一个事实：我们的太阳系并不是宇宙中的普遍情况，太阳系中的行星排布仅仅是众多行星系统类型中的一种而已。换句话说，我们必须通过对系外行星的了解来建立新的行星系统形成理论。 另一方面，随着越来越多打破常识的奇异行星被发现，我们也开始意识到“金凤花行星”这个词其实在表达上并不合适。所谓的“金凤花行星”1，是指一颗行星（比如地球）距离母恒星的位置不近不远，也就是处于“既不太热，也不太冷，刚刚好”的位置上。这里的“刚刚好”一词，我们原本想表达的意思是温度刚刚好能允许液态水在天体表面稳定存在。之所以用这个表达，自然是因为我们期待这样的行星可以作为像我们这样的生命的家园。 那么生命呢 这或许是我们对系外行星*感兴趣的部分了：这些新发现的系外行星里，有哪颗会是生命的家园吗？然而，一旦我们把注意力转向生命的存在，就不得不再次面对“孤证的诅咒”——我们仅仅知道一种类型的生命，是单次“实验”的产物。在*基本的分子水平上，地球上任何生命都来自于*初的那个单细胞，也都以相同的基因编码方式和相同的脱氧核糖核酸（DNA）结构生息繁衍。在分子水平上，你和草坪里的草的相似之处可能远比你以为的要多。当我们开始探索系外行星时，自然也无法摆脱自己的思维定式，我们只能以“与地球生命有一定程度上的相似”为标准来搜寻。 我们可以把地球上生命的起源分为两个阶段，颇有点像汽车换挡。**个阶段是从无机物中产生**个生命细胞，第二个阶段是从这个生命细胞进而发展出各种各样我们如今看到的生命形式。 事实上，我们对地球上的生命是如何从**个细胞演化至今的过程还是相当了解的—都在“进化论”里了。就像拼图一样，把关于**个细胞如何形成的那些拼图块放好位置之后，就会有大量的研究来填补其他空白。我们知道地球上的生命开始于35亿年前，但此后30亿年里，地球依然是一个沉闷无趣的地方。如果那时候有地外生命造访地球的话，它们只会看到遍布藻类的绿色海水—复杂的多细胞生命仅仅在距今5亿年前才出现在地球上，而智慧生命和科技文明还要更晚才会出现。因此，我们可以预见到，如果我们在某个系外行星上找到了生命，那么*可能找到的也是这样的“藻类星球”。 一个非常盛行的固有观念是：任何生命都应该是和我们地球生命一样是碳基的，也以相似的方式在生息繁衍，哪怕这些生命有着和我们不同的分子构成。如果系外行星上的生命和地球的一样也是以分子化学为基础的，那么它们也应该有相同的分子机制来完成像我们的DNA从一代往下一代传递基因信息的过程。这样的分子应当大而复杂，因此人们进一步推测，它们应当包含长碳链。而与碳有关的化学过程又常常在液态水中反应*迅速，这解释了为什么我们总在寻找“金凤花行星”。 然而，尽管我们目前只着重关注基于分子的生命存在的可能性，但新发现的系外行星数目之多、种类之丰富还是意味着：我们应当时刻准备着迎接惊喜，准备着发现我们在地球上不曾见过的生命形式。举个简单的例子，地球上生命的自然选择和演化一部分是由地球的板块构造活动引发的。也就是说，由于地球上的地理位置不断发生迁移，相应的生态环境也在不断发生变化，于是生命也必须不断地演化，*终留下适应新环境的一部分种类。例如，有些研究就认为，直立行走和早期智人的出现很大程度上是几百万年前非洲中北部热带雨林干枯的结果。那么我们会问，一个地表不怎么发生变化的星球上会演化出什么样的生命呢？这种生命的演化会停止吗？我们能在这些星球上看到地球上的化石所记录下的那些复杂的演化历程吗？这些星球上的智慧和科技水平还会发展吗？或许某颗系外行星上就有这些问题的答案。 我们可能还会问更深刻的问题：生命真的必须要建立在分子化学的基础上吗？生命真的会像在地球上一样，根据自然选择来演化吗？科学家常常戏称：生命就像色情作品——我们无法定义它们，但一旦看到，就能知道是不是。有人也会坚持认为并不是这样，他们会极力拓展想象力，提出各种（可能）存在但并不“像我们”的生命形式的可能性。我们将在第12章里介绍，正如需要重新定义系外行星一样，我们或许也需要重新定义生命—一种必然和我们对金凤花行星上期待的形式截然不同，但更加丰富多样、激动人心的生命形式。 这些不可思议的行星也再一次让我们思考一个由来已久的问题—费米悖论。这个以意大利裔美籍物理学家恩里科·费米（1901—1954）命名的悖论来自于一次非正式讨论，当听到一些认为银河系中应当充满高科技文明的观点之后，费米问出了一个简单的问题：“那它们都去哪儿了？”如果银河系是一个充满智慧生命的世界，为什么我们地球生命在宇宙中看起来那么孤单？ *后，这或许是我们在对银河系的新认知之下提出的*重要的问题了。