寻找新地球：探测太阳系外行星大气

水世界

到目前为止，天文观测都集中在太阳系外行星GJ 1214b上，这颗行星围绕着一颗红色的M型矮星 转动，距离地球约40光年。如此近的距离使得GJ 1214b相对易于研究，而且它的直径仅为地球的2.7倍，比起最先发现的太阳系外热类木星，也更加接近地球。“它是每个人都钟爱的‘超级地球’，”美国芝加哥大学的研究生劳拉?克莱德伯格(Laura Kreidberg)说，他目前正在分析一个观测项目所获得的数据。

GJ 1214b于2009年由“M地球”计划发现，该计划由夏博诺牵头，旨在搜寻M型矮星周围的行星。夏博诺的想法是，比起更大的恒星而言，在这些相对较小，而且比较暗弱的恒星周围寻找较小的凌星行星会更加容易。首先，对于这样的恒星，地球大小的行星所遮挡更多的恒星星，也会对恒星施加更大的引力，让科学家更容易测定行星的质量，进而确定行星的密度。其次，由于恒星较小，温度较低，其宜居带会比高温的类太阳恒星更靠近自身，使得凌星现象会更可能被观测到(因为行星轨道与恒星较近的话，不需要严格地侧向面对观测者，也能产生凌星现象)。最后，银河系中M型矮星的数量要远远大于类太阳恒星——大约有250颗M型矮星与地球的距离在30光年之内，而在这一距离内，后者仅有20颗。

GJ 1214b还称不上是第二个地球：它的直径是地球的2.7倍，质量是地球的6.5倍，这使得它的平均密度介于地球和海王星之间。不过，如夏博诺和其他人在发现GJ 1214b后不久便意识到的，这一密度可以有多种不同的解释。例如，这颗行星可以是由一个较小的岩质核心，外加一个巨大的绝大部分是氢的大气层所构成；它也可以有一个较大核心，核心外周是较深的液态海洋，再外加一层富含水份的稀薄大气。仅仅根据密度，科学家无法判别哪种可能性最大——尽管拥有海洋的可能性会更令人兴奋，因为液态水是我们所知的生命存在的必要条件(但并不是充分条件)。

然而，当芝加哥大学的天文学家雅各布?比恩(Jacob Bean)在不同波长上观测GJ 1214b，希望能看到这颗行星可视大小的变化(表征其大气的厚度)时，他没看到任何变化。这意味着两种可能性：要么这颗行星可能具有一个巨大的氢大气层，但其中充满着的云和霾使之难以探测；要么它有一个薄而多水的大气层，它薄到无法被地面上的望远镜看见。2012年开始和比恩合作的克莱德伯格说，这类似于从远处看一道山脉。“那里也许有许多个山峰，”她解释说，“但如果你距离太远的话，山脉看起来就会像一条平整的线。”

为了解决这个问题，比恩及其同事申请到了哈勃空间望远镜60个轨道的观测时间(也就是围绕地球运转60周的时间 )；他们的观测已经开始。这并不是天文学家第一次用“哈勃”来观测GJ 1214b，却是迄今最深入的观测计划。比恩的这次观测，会使用2009年5月“哈勃”升级维修时新安装的大视场照相机3(Wide Field Camera 3)来进行观测。运气好的话，这一观测将最终会弄清楚，GJ 1214b是否是一个水世界。

终极目标

由于对太阳系外行星的搜寻已经持续了一定的时间，天文学家已开始寻找那些有着较长轨道周期的行星。这些行星远离它们的宿主恒星，因此会比早先发现的热类木星的温度低。“长久以来，我们都一直局限在温度为1 500开、2 000开的行星，它们的温度实在太高了，”美国加州理工学院的克努森说。在这些行星上，“大气中的绝大多数碳会和氧结合，形成一氧化碳，”她说，“真正有意思的事情出现在当温度降低到1000开以下时，碳和氧会形成甲烷。”

尽管存在着不确定性(因为纯粹的地质活动也能产生甲烷)，但作为生物活动的信号，甲烷尤其吸引人。氧，尤其是臭氧——由三个氧原子组成的高活性分子，更可能是生命存在的信号。但由于臭氧的光谱信号很微妙，特别在相对较小的类地行星大气中更是如此，因此臭氧也极难探测。

不过，对于温度适中的超级地球，天文学家则在密切关注这些行星上的各种活动迹象。“所有这一切仅仅是一个练习，”希格说，“我的意思是，研究超级地球确实很有意思，但对于像我这样的人来说，这类行星只不过是一块垫脚石，我们最终的研究对象，将会是真正的‘地球’大气层。”

不过，在詹姆斯?韦布空间望远镜以及新一代巨型地面望远镜(包括巨麦哲伦望远镜和三十米望远镜)投入使用前，可能还没法找到其他“地球”。即便有了这些强大的设备，希格说，也要花费成千上万个观测小时，才可能找到其他“地球”。就算到那个时候也未必会清楚，到底能否探测到生命迹象。为此，天文学家可能仍然需要“类地行星搜索者”(Terrestrial Planet Finder)，但这个项目的经费已被大幅削减，确切的发射时间目前还不好说。

不过，迄今所取得的结果显然已经超出了任何人在20世纪90年代的预期，希格甚至已经可以谈论找到生命迹象的真实前景。我们所希望的，已不仅仅是外星文明会发现我们，向我们发送信号，我们已经在主动地探索遥远行星上的大气，搜寻以那里为家的生命的迹象。

本文作者

迈克尔?D?莱蒙尼克(Michael D. Lemonick)是非营利新闻机构“气候中心”(Climate Central)的记者，也是《另一个地球：搜寻地球的孪生兄弟》 (Mirror Earth: The Search for Our Planet's Twin)的作者。他曾在《时代》杂志做了21年的科学记者。

精彩速览

科学家曾认为，探测遥远的太阳系外行星的大气几乎是不可能的，因为它们的宿主恒星所发出的光太亮了。

然而，当科学家开始研究太阳系外行星运动到宿主恒星后方的情景时，他们意识到由此导致的恒星亮度变化可以为行星大气的组成提供线索。

目前，天文学家正在使用先进的技术，来探测太阳系外行星大气中的原子和分子。他们希望很快能把这一研究拓展到可为外星生命的存在提供证据的分子身上。