3.2 人類如何尋找類似于地球的金發女郎行星？

學術界的最高榮譽是諾貝爾獎。遵照諾貝爾本人的遺囑，諾貝爾自然科學獎只限定在3個學科：物理、化學、生理學或醫學。換言之，所有其他學科的自然科學家，不管做出了多偉大的貢獻，都無法戴上諾貝爾獎的桂冠。

為了彌補這個遺憾，香港的邵逸夫爵士在2002年設立了一個基金會，并于2004年開始頒發邵逸夫獎。邵逸夫獎也面向3個特定的學科，分別是數學、天文學、生命科學與醫學。不少人都把邵逸夫獎稱為東方諾貝爾獎。

迄今為止，關于系外行星的研究總共拿過兩次邵逸夫天文學獎。第一次邵逸夫天文學獎頒給了我們在3.1節介紹過的米歇爾·麥耶和杰弗里·馬西，以表彰他們在此領域實現了從0到1的突破。第二次邵逸夫天文學獎頒給了一個大科學項目的主管。正是在他的領導下，人類在系外行星探索領域實現了從1到10的飛躍。他就是美國天文學家威廉·博魯基（圖3.6）。

博魯基并不是天文學專業出身，也沒有拿過博士學位。1962年，他在威斯康星大學麥迪遜分校拿到了物理學碩士學位，然后加入了NASA⁽²⁾，為著名的阿波羅計劃設計隔熱板。此后，他一直在NASA工作，從事的也都是技術方面的研究。20世紀80年代末，博魯基決定轉行做科學，而他選擇的研究方向正是系外行星。

我們在3.1節講過，1995年，麥耶、奎羅茲師徒發現了第一顆繞主序星旋轉的系外行星飛馬座51b。20世紀90年代末，馬西后來居上，找到了前100顆系外行星中的70多顆。但這100顆系外行星有一個共同的特點：它們幾乎全都是類似于木星的大質量行星。這很容易解釋：系外行星的質量越大，對恒星造成的影響就越大，所以就越容易被地球上的望遠鏡發現。

問題在于，大質量行星全是像木星這樣的氣態行星，而氣態行星上無法存在生命。換句話說，要想搜尋外星生命，人類需要尋找的是類似于地球的小質量固態行星。

光找小質量固態行星是遠遠不夠的，還有一個至關重要的因素是行星與恒星之間的距離。如果行星離恒星太近，其表面溫度就會變得特別高；如果行星離恒星太遠，其表面溫度就會變得特別低。無論是哪種情況，都會讓液態水無法存在。一顆行星要想擁有液態水，需要像地球一樣，處于與恒星距離適中的宜居帶內。天文學家把這種特別理想的、位于恒星宜居帶內的小質量固態行星稱為金發女郎行星（goldilocks planet）。

那怎么才能找到金發女郎行星呢？20世紀90年代中期，博魯基想到了一個點子：把探測系外行星的望遠鏡送上太空。

其實博魯基并不是第一個想把望遠鏡送上太空的人。早在20世紀中葉，就已經有人想到要把望遠鏡送上太空了，此人就是美國著名天文學家萊曼·斯皮策（圖3.7）。

學生時代的斯皮策就已經和天文學界的一些傳奇人物打過交道了。1935年，他從耶魯大學本科畢業，然后跑到劍橋大學游學。在那里，他親眼見證了錢德拉塞卡和愛丁頓之間的著名論戰?；貒?，斯皮策考入了普林斯頓大學，師從在2.2節介紹過的那個提出了赫羅圖的羅素。1938年，他拿到了自己的博士學位。

“二戰”期間，斯皮策離開了學術界，為美國海軍工作。1947年，他又重返學術界，接替羅素出任普林斯頓大學天文臺臺長。就在他重返普林斯頓大學的前一年，斯皮策提出了一個在當時堪稱驚世駭俗的點子：要把望遠鏡送上太空。

我舉兩個例子，你就能明白斯皮策提出的這個建造太空望遠鏡的點子，對當時的學術界而言到底有多瘋狂了。在他提出這個點子后的第11年，蘇聯才把第一顆人造衛星送上太空；而他提出這個點子后的第22年，美國才把第一個太空望遠鏡送上天。換句話說，在科技日新月異的20世紀，人類竟然花了整整22年的時間，才把斯皮策的設想變為現實。

為什么要如此大費周章地把望遠鏡送上太空呢？為了回答這個問題，我得先給你科普一個天文學概念：大氣窗口。

地球外圍環繞著一個厚厚的大氣層。一些遙遠天體發出的光，若受到這個大氣層的阻礙，有可能會到不了地球表面。這樣一來，位于地球表面的望遠鏡就無法看到這些天體。

那什么光能到達地球表面，什么光又到不了呢？這取決于這些光的頻率。圖3.8就展示了各種頻率的光穿越地球大氣層的難易程度?？梢钥吹剑丝梢姽狻⒉糠旨t外線以及無線電波以外，其他頻率的光都會被地球大氣層100%地吸收。為了便于理解，你可以把地球大氣層想象成一座城墻，只在少數地點設了開口，對一些特定頻率的光放行。這就是所謂的大氣窗口。

由于大氣窗口的存在，要想觀測遙遠天體發出的大部分紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線，就必須把望遠鏡送上太空。即使是那些受地球大氣層影響較小的可見光、部分紅外線和無線電波，如果能在太空中進行觀測，觀測效果也會大大改善。

除了大氣窗口，還有一個干擾因素，那就是大氣湍流。簡單地說，大氣湍流就是地球大氣發生的一些特別不規則的運動。大氣湍流現象會對來自遙遠天體的光產生嚴重的干擾。我們之所以覺得星星會眨眼，就是由于大氣湍流的影響。

如果把望遠鏡放在地球表面，就得受制于大氣窗口和大氣湍流的不利因素。但要是能把望遠鏡送上太空，所有的問題都會迎刃而解。

關于斯皮策，最后再多說幾句。終其一生，斯皮策都在致力于把大型光學望遠鏡送上太空。正是在他的領導和推動下，美國于1990年發射了歷史上最有名的空間望遠鏡，即哈勃太空望遠鏡。為了紀念這位憑一己之力打開太空望遠鏡時代大門的天文學家，NASA把一個于2003年發射的大型紅外太空望遠鏡命名為斯皮策太空望遠鏡。

言歸正傳。到了20世紀90年代中期，博魯基意識到應該把探測系外行星的望遠鏡送上太空。這樣一來，其探測能力就會大大增強，從而能探測到地面望遠鏡無法分辨的恒星亮度的微弱變化。也就是說，如果有一個專門探測系外行星的太空望遠鏡，就能系統搜尋那些亮度出現周期性缺口的恒星，進而利用凌星法來尋找小質量的固態系外行星。

到了21世紀，博魯基的努力終于開花結果。由他擔任首席科學家的一個研究團隊，成功造出了一個專門探測系外行星的太空望遠鏡，也就是著名的開普勒太空望遠鏡（Kepler space telescope， KST，見圖3.9）。

2009年3月7日，KST順利發射，并被送上了預定的軌道。這是一個位于地球外側、要花372天才能繞太陽轉上一圈的橢圓形軌道。因為KST的公轉周期大致比地球的公轉周期少7天，所以它一直處于“尾隨地球”的狀態。

KST一直目不轉睛地盯著天鵝座、天琴座和天龍座交界處的一個天區（圖3.10），也就是圖3.11所示的那個黃色圓錐區域。這個區域內大概有15萬顆恒星。KST的任務就是時刻監視這15萬顆恒星，看其中有沒有哪些恒星的亮度出現周期性的缺口。

KST的工作原理相當簡單。在數年時間里，KST每過30分鐘就會給自己監視的這15萬顆恒星拍一張照片，然后檢查其中哪些恒星的亮度有改變。這樣一來，它就可以把亮度存在U形缺口的天體挑出來。這些亮度有缺口的天體，就是有可能擁有系外行星的候選恒星。

確定候選恒星以后，研究人員會對它們進行持續跟蹤。如果證實一顆恒星后來又出現3次亮度缺口，而且出現缺口的時間具有周期性，就可以確認此恒星擁有自己的系外行星。

可能你會問了：“這么做只能確定系外行星的存在，怎么知道它到底是不是我們要找的金發女郎行星呢？”答案是，可以用恒星亮度變化的細節來判斷。

如果有一個類似于木星的大質量氣態行星在恒星表面穿行，它會遮住比較多的恒星光芒，從而讓恒星亮度出現比較大幅的下降。如果是類似于地球的小質量固態行星在恒星表面穿行，它只能遮住比較少的恒星光芒，從而讓恒星亮度出現比較小幅的下降。不妨以地球為例。地球凌日時，大概能使太陽的亮度下降萬分之一的量級。這意味著，如果KST發現某顆恒星的亮度存在一個變暗萬分之一量級的周期性缺口，就可以斷定它擁有一顆和地球差不多大小的系外行星。

此外，一旦確定了恒星亮度變化的周期，也就是系外行星繞恒星公轉一圈的時間，就可以利用開普勒第三定律來估算出這顆系外行星與恒星之間的距離；再結合恒星質量和溫度的數據，就可以確定這顆系外行星是否位于宜居帶內了。

綜合這兩方面的因素，天文學家們就可以判斷KST所找到的系外行星到底是不是金發女郎行星了。

最后，給大家展示一下KST的強大威力。圖3.12展示了人類20多年來所發現的系外行星的數目。在2009年（也就是KST發射的那一年）以前，人類總共只發現幾百顆系外行星（深藍色長方形）。但到了2009年以后，人類一年發現的系外行星數目就達到成百上千顆（圖中淺藍色和橙色長方形）。截至2018年10月24日，天文學家們已經確認發現了3823顆系外行星，其中有2662顆都是KST發現的（圖3.13）。由于這井噴式的大量發現，目前系外行星探索已經成為整個天文學最熱門的研究領域之一。

我們已經為你介紹了著名的KST，3.3節，我們將為你介紹KST的一個最讓人大跌眼鏡的發現。