地外生命：風景這邊獨好？天涯何處無芳草_風聞

【王煒，國家天文台研究員，現任中科院南美天文中心副主任，主要研究太陽系外行星。參與撰寫天文專業書籍《現代天體物理》和天文科普書籍《觀天者説》。】

大約20萬年前，發源於非洲的智人逐步向亞洲、歐洲遷移。得益於更大的腦容量和更細緻的石器製作技術，他們成功取代了當地的直立人。15世紀，隨着航海技術的發展，歐洲人開始了對亞非歐大陸以外世界的探索，發現並佔領了“新大陸”,即美洲大陸。從20世紀中葉開始的第三次科技革命，引發了人類新一輪的對外探索，人造探測器已經飛出了太陽系，人類的足跡也可能在20年內到達火星。未來的巨型太空望遠鏡或將直接看到幾十光年外的類地行星。

圖1.太陽系

我們並不清楚科技時代之前的兩次遷移是為生活所迫，還是源於對未知世界的好奇，亦或兼而有之，但毫無疑問，最新一輪探索的內在推動力主要是好奇，畢竟在這個年代，人類生活富足。為了生存而探索外太空？不存在的！

那麼“好奇寶寶”科學家們到底在好奇什麼呢？他們好奇的是，地球和地球上繁衍的生命在宇宙中是否獨一無二，人類是否是飄蕩在茫茫宇宙、億萬星系中的一縷孤魂，是否在另外一個星系、另外一個星球上存在着生命，存在着智慧與文明，甚至存在着可以實現空間跳躍、降維打擊的高等文明？

天文學發展到今日，人類已經知道這個宇宙有千億個類似銀河系的星系，每個星系有千億顆恆星，平均每3顆恆星周圍有一顆行星，每2.5-30顆類太陽恆星周圍有一顆宜居帶類地行星，或許還有更多的衞星。比如太陽系，有8顆行星、幾百顆衞星，其中與地球尺寸類似、在過去或現在或將來可能擁有生命的行星和衞星不止5顆。因此，宇宙中類似地球能夠孕育生命的星球可能有3千億億顆！當然，能夠孕育生命不代表一定會孕育和發展生命，更不能代表在某時刻有生命和文明存在。

Frank Drake在半世紀前提出了著名的Drake公式，用於估算銀河系內能與我們通訊的文明的數量N。令人啼笑皆非的是，不同的研究給出的N值範圍很廣，從9.1×10-11到15,600,000，相差18個數量級。竊以為這樣的研究，倒不如擲硬幣，正面表示“風景這邊獨好”，反面表示“天涯何處無芳草”呢。

當然，人類並不滿足於這個過於簡單的Drake公式，而是在循序漸進的用科學的方法來搜尋地球外的生命，包括太陽系內的行星和衞星以及太陽系外的宜居帶類地行星。由於專業水平有限，在此筆者只簡要介紹太陽系外行星探索中立下汗馬功勞或已列入計劃或還處於討論之中的空間望遠鏡項目（圖2）。

圖2.美國航空航天局NASA和歐洲航空局（ESA）已開展、即將開展或在討論建議之中與太陽系外行星研究相關的空間望遠鏡項目

這些項目分兩類，一類是搜尋行星，一類是研究行星。前者包括成果豐富、獨立發現超過4000顆行星候選體的開普勒（Kepler）巡天項目，和剛投入使用的、期待發現類地行星的苔絲（TESS）巡天項目，以及計劃2026年開始工作、旨在搜尋宜居帶類地行星的柏拉圖（PLATO）項目。這些行星獵人（planet hunter）項目，將發現大量的系外行星和幾十到上百顆宜居帶類地行星。所謂宜居帶，指的是行星系中適宜生命存在的區域，主要依據是行星表面存在液態水，以供生命的孕育和早期發展。目前已發現的宜居帶行星大約50顆，而它們大部分是在比太陽活躍許多的M型矮星附近，研究表明恆星獲得很可能迅速摧毀巖態行星的大氣，使得行星不再宜居。

撰寫本文時，筆者正在第一屆TESS科學會議現場，許多令人興奮的新發現如雨後春筍，比如TESS發現小於三倍地球半徑的行星可能比理論預研更多，比如發現了更多的宜居帶類地行星，可惜絕大部分內容不允許在社交媒體發佈，不然可以朋友圈發很多美圖了。

瞄準這些太空探索項目發現的類地行星和宜居帶類地行星，以及太陽系周圍的恆星，天文學家提出了更多旨在探測這些類地行星大氣的計劃，包括專用於探測行星大氣的CHEOPS（CHaracterising ExOPlanet Satellite）項目，ARIEL（Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large survey）項目和HabEx（Habitable Exoplanet Observatory）項目，以及通用空間望遠鏡但主要科學目標之一是研究類地行星大氣、探索生命起源的JWST（James-Webb Space Telescope），LUVOIR（Large UV/Optical/IR Surveyor）和OST (Origins Space Telescope)。

其中，CHEOPS的主要科學目標是精確測量行星/恆星半徑比，ARIEL只能針對大的、熱的行星做大氣研究。口徑4米的HabEx和6.5米JWST望遠鏡應該能夠對岩石行星進行初步的研究，但對於類太陽恆星周圍的宜居帶類地行星幾乎無能為力。口徑9米或者15米的巨無霸LUVOIR望遠鏡和口徑9米的中遠紅外望遠鏡OST毫無疑問非常強大，但其預算也很嚇人（30-50億美元！）。

是不是挺讓人糾結的？擲硬幣只需要一個硬幣，做研究需要無數個硬幣。

事實上，據路邊社消息，HabEx，LUVOIR和OST被NASA選中的可能性不大，性價比不高或者風險太大，而同期提出的X射線空間天文台項目Lynx的呼聲更高。對於系外行星研究領域，這是個巨大遺憾，然而，對中國天文學家來説，這是一個機遇，一個抓住前沿方向、追趕歐美的機會。

系外行星領域，包括系外行星的探測和刻畫，在中國方興未艾，主要原因是缺乏必要的觀測設備。“工欲善其事，必先利其器”。我國行星領域的專家早已深刻認識到這個差距，並提出了幾個行星探測空間項目建議，主要目標是太陽系領域的宜居帶類地行星。這些項目獨闢蹊徑，敢於創新，如成功，對中國和世界系外行星領域都將有巨大貢獻。

與此同時，國家天文台聯合長春光學精密機械與物理研究所、紫金山天文台、北京大學等單位，德國馬普地外所、馬普天文所、劍橋大學等單位，計劃推出一個以我為主、多國合作的系外行星大氣探測專用4米級空間望遠鏡，配備紫外-光學-紅外低分辨率光譜儀和光學高分辨率光譜儀，集中研究GK型主序恆星附近宜居帶岩石行星和類地行星的大氣，探索可能存在的生命表徵信號，比如臭氧、氧氣（圖3），比如葉綠素和嗜鹽菌（圖4）。

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圖3.太古代、元古宙和現代地球的反射光譜，可見紫外的臭氧分子吸收，光學波段的氧分子、水和甲烷的吸收。圖來自於G. Arney (美國航空航天局戈達德太空飛行中心)

圖4.行星表面海洋（藍色）、針葉林（綠色）、嗜鹽菌（紅色）的反射率。圖來自Schwieterman (2018, Handbook of Exoplanets)

這是個重要的任務。我們希望通過科學的方法，again，砸人砸錢砸技術，試圖回答我們一直好奇的那個問題，到底是地球這邊“風景獨好”，還是“天涯何處無芳草”？

這也是個艱鉅而持久的任務。人類探索外太空的步伐還未真正開始，更有未知的困難藏在迷霧之中，需要不止一代中外天文學家和技術專家不懈的拼搏和努力。

不忘初心，砥礪前行！