尋找下一個地球，我們會成為星際移民嗎？_風聞

造就第315位講者 賙濟林

南京大學天文與空間科學學院院長

今年4月16日，NASA發射了一顆巡天衞星，名為TESS（凌日系外行星巡天衞星），它的主要目標是尋找更多的系外行星。

為什麼要去尋找太陽系以外的行星？究其原因，還是回到那個至今仍未解開的疑問：人類從哪裏來？又將要到哪裏去？

著名科幻小説《三體》所描述的就是文明生存的競爭，也是居住地的競爭。書中「三體文明」處於半人馬座α星，是距離太陽最近的恆星系統。但由於它是一個三星系統，即由三顆恆星組成，運動並不穩定。

當三顆恆星引力相對於行星不平衡時，就出現了小説中描繪的「亂紀元」世界：要麼三個太陽同時出現，要麼一個太陽都沒有，人們在煎熬中等待「恆紀元」出現，他們嚮往如地球一般安穩的宜居家園。

01

類地行星離「宜居」二字還差得很遠

為什麼我們已經生活在地球這個安定的星球上，卻仍然要去尋找適合人類居住的行星？

因為人類不可能永遠生活在這個搖籃中，我們這是在為未來做打算。

那麼，什麼樣的行星是宜居的？

**第一，類地行星，擁有固體表面。**迄今為止我們所發現的行星，歸納起來可分為兩類：類木行星和類地行星。如果行星的質量大於10個地球質量，那麼它就可以顯著地吸收氣體，形成類木行星；反之，小於10個地球質量則多半是類地行星，因為它沒有機會得到更多的氣體。

**第二，存在液態水，且位於宜居帶上。**行星的宜居帶必須與主星之間有一個合適的距離，而這個距離的遠近取決於主星的大小。主星越小，與宜居帶之間的距離就越近，輻射也就越強，人類在這樣的星球上是沒辦法生存的。

我們希望找到一個像太陽這樣的恆星，那麼位於其宜居帶的類地行星就是「下一個地球」。

**第三，主星輻射不能太強。**地球之所以適合人類生存，是因為它遠離太陽，且星球內部有液態核，形成一個磁場，從而保護了我們的生命。這也是人類的幸運之處。

02

改造火星只需一個陽光棚

相比之下，我們的鄰居火星就不是那麼幸運了，它雖然也處於太陽的宜居帶，但是現在卻沒有生命。

研究表明，火星以前可能是有生命的，後來由於某種原因，比如受到小行星的碰撞，把它的液態核撞沒了。要知道，液核很多是帶電的離子，流動起來會產生磁場，沒了它，保護大氣的磁場也就消失了。所以，火星現在幾乎沒有大氣，也就不適合人類居住了。

有人提出，我們能不能改造火星，使得它適合人類居住？這當然是可以的，但所需要的成本非常大。關於改造的方法，我想最多有兩種：

小改造：搞個陽光棚，裏面種點花花草草，這樣人在那裏至少可以生存了。

大改造：搞個液態核，讓它有磁場保護，這個難度就太大了。

當然，仍然有人會去嘗試，比如馬斯克的「火星移民計劃」。我們不清楚這個計劃要付出多少代價，但至少他已經算出了每個人去火星的成本，甚至連單程票價都出來了。如果真的可以實現，我們將來最好是買往返票，這趟旅程也許會很寂寞。

03

系外行星是怎樣被發現的？

經過人類的不懈努力，終於在1995年發現了第一顆太陽系以外的行星，這歸功於瑞士的兩位科學家。那麼如何探測行星呢？

視向速度法

大家都知道行星是很暗的，根本看不見，怎麼辦呢？我們可以去看恆星。因為行星跟恆星繞着公共質心在轉，所以我們觀測的那個恆星，它其實有個像身份證一樣的東西——光譜。光譜有很多譜線，如果這個恆星不動，譜線是固定在某個地方的；一旦恆星開始運動，那這個譜線也會移動。

就像高鐵，它離開我們時聲音會變緩，而向我們運動過來的時候，聲音就比較尖鋭，這就是多普勒效應。利用這個原理，我們就可以反推出恆星運動的原因，是不是因為它受某顆行星的影響。於是，第一個太陽系外行星就是這樣被探測出來的，下面這張就是它的軌道週期示意圖。

凌星法（transit）

凌星法是目前被廣泛應用的系外行星觀測方法。它的原理很簡單，當行星正好從你的視線與恆星之間經過時，你認真觀察恆星，就會發現它的光度發生變化，而且這個變化是週期性的。當然，這個變化的大小取決於行星的大小。例如，木星的大小是太陽的十分之一，所以它這個光度的變化就是百分之一。

小朋友們聽到這個，可能會想：今天晚上我去看星星，盯着看它能不能掉下來，如果掉下來就發現了一個行星。要知道，這個通常肉眼是分辨不出來的，要通過衞星去探測。

04

發現地球的「表哥」有什麼意義？

TESS、James Webb、開普勒等，科學界發射的望遠鏡幾乎有一半都在尋找系外行星。在這裏，要重點説下開普勒太空望遠鏡，在它短暫的「壽命」中，發現了超過三千個系外行星，這是人類文明一個重大的進步。

開普勒發現的行星中，有一個跟地球非常相近，可以説是地球的「表哥」，被命名為開普勒452B。它的主星也很像太陽，但是遺憾的是它離我們太遠了——1400光年。「移民」到這個星球的旅程很可能是單程的，非常危險。但無論如何，我們至少看到了希望，遠的已經找到了，近的還會遠嗎？

那麼，迄今為止，人類找到了多少個類地行星？

如果以半徑或者質量這個標準來看，大概有700到800顆。但如果我們除去遠距離的那些，只統計一百個秒差距，也就是300光年以內的類地行星，就只有30顆。把距離再放近一點，60光年以內，這在天文上已經很近了，這樣就只剩下10顆。

這10顆行星大部分都來自於一個叫trappist-1的系統，我們中國稱之為葫蘆娃系統。它的主星是一顆矮星，比太陽小多了，但是它帶領着一串類地行星。遺憾的是，它們離我們依然很遠。**真正離我們近的，在10個秒差距（約30光年）以內類似太陽這樣的恆星系，還沒有找到宜居帶行星。**當然，我們有義務繼續尋找。

05

中國的巡天之路

前面提到了很多國外的空間項目，那麼我們中國有沒有自己的巡天衞星呢？

我和同事們也都提出了一些項目，比如為宜居的類地行星「拍照」，我在前面介紹過的類地行星都是沒有成像的，我們希望通過光干涉將行星和恆星分開來再去成像，先把它的圖片拍出來。

但是大家也知道，空間項目的週期很長，可能從你提出計劃到衞星上天，花上十年的時間已經很幸運了。那麼，在此之前我們總要做些事情。

我們課題組參與了南極的一個巡天項目。那裏冰天雪地，氣候寒冷乾燥，條件非常艱苦，但這片大陸也擁有天文學家最喜歡的連續42天的極夜。

由於冬季氣温很低，最低可達到零下83攝氏度，人在那裏是沒辦法過冬的。所以，我們會先在頭一年的夏天派科考隊過去，把望遠鏡放置並調試好後離開，讓它工作一年，第二年夏天再去把數據「扛」回來，或者通過衞星來傳輸。

通過這樣的觀測模式，我們這個課題組利用圖中這幾個望遠鏡，在2014年發現了200餘顆高置信度的系外行星候選體，成為世界上第一個在南極天區發現系外行星的科考團隊。2017年，我們又在南極發現了最大批量的系外行星。

除此之外，我們也在號稱「世界第三極」的西藏也設立了天文台。位於海拔5100米的西藏阿里天文台已經建成了一半，其中有一個平台，我們稱之為平行頂。在這裏將放置五個小望遠鏡，進行系外行星的搜尋，期待能收穫好的結果。

最後，回到一開始提到的問題：人類為什麼要探索宇宙？

這個問題答案很多，科研方向不同，回答自然也不同。從我的角度看，**我們探索宇宙的目標，是尋找另外一個宜居的類地行星，尋找我們另外的家園。**當然，這件事不是一蹴而就的，可能需要幾代人的努力。