编者按：
近期，科学家对行星观测颇有成效。一是5月3日，比利时和美国科学家发现了三颗有可能适宜生命居住的系外行星，也是目前最有移居潜质的行星。二是5月10日NASA宣布其开普勒太空望远镜又确认了1284颗行星的存在，其中9颗位于其恒星的宜居带中。这使得系外行星和人类移民再次成为人们关注和热议的焦点。 今天的“郑”在聊天专栏，春哥跟你聊聊系外行星这一话题。
系外行星：美丽童话之外还要直面现实
作者：郑永春
图1 近几年，利用开普勒望远镜发现的系外行星数量越来越多，特别是位于宜居带内、与地球大小相近的系外行星的搜寻进展显著。
5月10日，美国国家航空航天局（NASA）召开电话记者会，宣布其开普勒太空望远镜一口气确认了1284颗行星的存在，使太阳系外已知行星的总数翻了约一番。其中近550颗可能是类似地球的岩石行星，9颗位于其恒星的宜居带中。
就在前不久的5月3日，比利时和美国科学家宣称发现了三颗有可能适宜生命居住的系外行星，也是目前最有移居潜质的行星。科学家说，学界有望在本世纪内验证它们能否孕育生命。有关研究刊登在英国科学杂志《自然》上。
图2 红矮星“TRAPPIST-1”恒星系统的形象图
比利时和美国科学家利用位于智利的60厘米望远镜TRAPPIST，追踪数十颗矮恒星，它们的大小及热度都不大，难以用光学望远镜观察。研究说，其中一颗超冷红矮星名为TRAPPIST-1，距离地球约39光年，体积是太阳的八分之一，温度比太阳低。研究人员发现有至少3颗行星环绕TRAPPIST-1公转，公转期分别为1.5、2.4日，较远的为4-73日。这3颗行星的大小和温度，与地球及金星十分相似，表面或有区域的温度适宜生存及容许液态水出现。负责领导此次研究的比利时列日大学天体物理学家吉隆（Michael Gillon）表示，这是第一次在太阳系以外，发现在星球上可能有生物的痕迹，而且体积与地球相似，是目前最有潜质可作移居的星球。参与研究的美国麻省理工学院博士威特表示：“这次发现有如天文科学界中头奖。”
系外行星的搜寻：从科学猜想到地理大发现
我们知道，太阳系有八大行星，那么其它恒星也应该有自己的行星系统。但这一设想直到二十多年前仍缺少实际观测证据的支持，依然停留在科学猜想阶段。行星本身不发光，它表面的反射光相对恒星而言是极为微弱的，因此行星常常被掩盖在母恒星的光辉内，要从距离地球达数百光年以远的恒星系统中发现行星是很困难的。早在1855年就有天文学家宣称发现了系外行星，但直到1992年，人类才首次确认有质量与地球相近的天体环绕着脉冲星PSR B1257+12（质量为木星10.98倍的HD 114762 b于1989年被首次发现，是最早被确认的系外行星）。由于并非所有恒星都有行星，因此系外行星的发现给了我们很大的惊喜。银河系里面有上千亿颗恒星，如果1%的恒星拥有自己的行星，则太阳系外的行星将达数十亿颗。
系外行星观测在最近几年取得了重要进展，截至目前，已确认的系外行星达2116颗，属于1356个行星系统，其中512颗系外行星位于多行星系统内（数据来源：http://exoplanet.eu/catalog/）。系外行星的观测方法也有新的突破，如凌日时间变分法、脉冲星计时法、直接成像法、微引力透镜、径向速度或天体测量法、凌日法等。开普勒望远镜自2009年发射以来在太空开展的天文观测，大大提高了系外行星搜索的效率，目前已经探测到18,000多颗可能的系外行星，其中262颗与恒星的距离不远不近，位于温度适宜的宜居带。去年7月23日，开普勒望远镜团队宣布发现了迄今为止与地球最相似的系外行星——开普勒452b（Kepler 452b），被媒体称为“第二个地球”。但严格说来，开普勒452b是一颗围绕与太阳相似的恒星运行，与这颗恒星之间的距离适中的系外行星。所以，开普勒452b并不是严格意义上的“另一个地球”，只能说是迄今为止与地球最相似的系外行星。尽管如此，这仍然是搜寻“另一个地球”所取得的重要进展。
图3 行星系统的宜居带。纵坐标为母恒星质量与太阳质量的倍数，横坐标为行星到母恒星的距离与日地距离的倍数
系外行星的探索具有重要意义。我们知道，太阳系是从一团弥漫着气体和尘埃等星际介质的太阳星云逐渐凝聚、演化而来的。目前，太阳系已经演化到了行星形成的晚期，但我们对行星形成的早期历史并不清晰。通过系外行星搜寻，发现那些处于不同形成阶段、不同类型的行星，有助于理解行星是怎么形成的，未来将向什么方向演化。我们的地球也是一颗行星，具有行星所共有的一些特征，系外行星的探索，有助于研究行星的形成和演化过程，更有助于预测地球的未来，这关于人类未来的命运。
系外行星真的适合人类生存吗？
在很多新闻报道中，系外行星往往被称为“超级地球”、“最类似地球的行星”、“第二地球”等，这似乎描绘了一个光明的前景，人类未来有可能移居到这些星球上去。但作为冷静的探索者，我们需要思考这些系外行星是否真的像地球一样，人类未来是否真的有可能移居到这些行星。
如果是短期登陆探访，有很多太空探索的目的地可供人类选择，因为密闭的登陆舱和厚重的航天服可以保护我们。但如果要移居到另一颗星球，这就要求找到一个适宜人类长期居住的天体，这个天体必须具备更为苛刻的条件：
首先，要有大气层的保护。以地球海平面的大气压力为1个标准大气压为标准，医院里的高压氧气治疗为1.4个大气压，珠穆朗玛峰顶约为0.41个大气压。如果系外行星的大气太稠密或太稀薄，人类的心肺功能都将难以承受。如金星表面是90个大气压，连载人登陆都无法实现，更不可能适合人类生存了。
除大气压外，还要拥有合理的大气成分和比例。地球大气的主要成分是氧气和氮气，而且要符合一定比例。氧气含量过高，人会发生“醉氧”，过低则会缺氧。但是，目前的探测手段还难以确定系外行星是否拥有大气层，更难以判断大气成分。从太阳系的经验分析，土卫六的大气是氮气和甲烷，木卫二为纯氧，金星大气主要为二氧化碳，可能大多数系外行星的大气成分主要为氮气、甲烷、二氧化碳等，根本不适合人类生存。除了氧气，地球大气层中的微量气体也发挥了很大作用，比如臭氧过滤掉了对人类危害最大的紫外辐射。系外行星如果没有臭氧层，人类患皮肤癌的概率将大大增加。
图4 这是阿波罗航天员拍摄的地球从月球的地平线上升起的照片。太空中那蔚蓝色的星球是如此与众不同，如此生机勃勃，如此弥足珍贵
其次，要有液态水和适宜的温度。水是生命之源，根据地球的经验，生命的存在离不开水。有了水，才有可能形成生态系统，人与生物圈才能形成相互依赖、不断进化的生态系统，否则人类是难以长期单独生存的。实际上，现有科技手段还无法证实系外行星上是否有液态水，只能根据系外行星与恒星之间的距离来估算行星上的温度，并根据温度范围推断是否有液态水的存在，并非探明真的存在液态水。即使系外行星与恒星的距离位于宜居带内，也并不能保证行星表面具有适宜的温度。行星大气层的密度和成分将显著影响行星表面的温度。
根据达尔文的进化论，生命的演化需要经历漫长的历史。太阳作为太阳系的母恒星，是一颗中等质量的恒星，人类预测其寿命大约100亿年。现在太阳的演化已经过去约50亿年，地球的形成也历经了46亿年。地球诞生后8亿年才出现简单的生命，而人类的历史则不过250万年。换言之，即使有适宜的环境，太阳系繁衍出高度发达的文明也需要50亿年的时间。在宇宙中，如果母恒星的质量太大，其寿命就会比较短，它的行星就会来不及在母恒星的“有生之年”演化出相对复杂的生命。
再次，适宜居住的系外行星必须有一个岩石质的表面，让人类可以继续生活在陆地上。由于系外行星的质量越小就越难观测到，所以早期发现的系外行星大多是木星那样巨大的气液态行星，并不适合生命生存。适宜居住的行星还必须具备一个完美的磁场，可以屏蔽来自恒星和恒星际的高能带电粒子；这些行星必须已经演化到了中年阶段，内部能量的释放比较温和，因为处于演化早期的年轻行星往往会狂暴地释放内部能量，地震和火山爆发的强度和频度太大，人类在这些自然灾害面前的生存机会将十分渺茫。
最后，系外行星所属的恒星的能量释放要比较稳定，否则人类在恒星爆发的超级带电粒子风暴面前只能坐以待毙。行星系统要已经演化到晚期阶段，大量的小天体碎片已经被大的行星吸积，行星际空间逐渐清朗，可以大大降低行星被小天体撞击的几率。
总之，人类之所以能在地球上生存，是因为地球穿了几层保护人类的防护衣。第一层是磁场，它屏蔽了大量高能带电粒子，保护我们免受高剂量辐射的伤害；第二层是大气层，它提供了人类呼吸所需的氧气和植物生长所需的二氧化碳，其中的臭氧又过滤掉对人体有害的紫外线；第三层是水圈，水作为载体，促进了地球各圈层之间的物质循环和生物的新陈代谢。
系外行星本身不发光，在遥远的、很亮的恒星附近很难直接观测到，大多通过行星运行时对恒星的扰动来判断。迄今还没有办法判断系外行星是否有岩石质的表面，是否有液态水，是否有磁场，大气层中是否含有氧气，更难以确认系外行星是否真正与地球环境相似。
除了地球，我们别无他所！
如果人类足够幸运，真的发现了一颗类似地球的系外行星，那我们是否有能力到达这颗系外行星呢？比利时科学家发现的这三颗行星均处于宜居带，温度范围允许液态水的存在。它们距离地球39光年，以新视野号在借助木星引力加速后的峰值速度7万～7.5万千米/小时（相当于19～20km/s，大于第三宇宙速度）估算，需要56万年才能到达。所以在星际飞行理论没有突破的情况下，如果依靠传统火箭，不借助时空穿越，人类基本上不可能抵达这些系外行星。
人类是在地球上繁衍进化而成的，我们的身体、生产、生活都已经适应了地球的环境。就像世界上没有两片完全相同的叶子，宇宙中与地球一模一样的星球几乎是不存在的，所以如果移居到另一颗星球上生存，人类很可能就需要进化成另一种生物。虽然地球并非天堂，也会面对超级太阳风暴、地球磁极倒转、小天体撞击等天文灾难，也有地震、火山、海啸等重大自然灾害，但即使我们对地球诸多不满，它依然是我们唯一的生存家园。
我们寻找系外行星，希望登陆火星乃至移民火星，并不是因为那里更加美好，而是为了寻找人类未来的避难所。地球上的生物常常需要面对重大的灾难性事件，根据推测，地球上的生物大灭绝平均2600万年发生一次。就像导致曾经独霸地球的恐龙灭绝一样，这样的灾难一旦发生，必将导致人类的灭绝。为了人类文明的火种得以延续，我们需要在宇宙中寻找避难所，这就是我们搜寻系外行星和开展深空探测的重要价值。但是，在星际飞行理论没有质的突破之前，在用于时空穿越的虫洞还没有成为现实之前，人类还不可能飞出太阳系，未来移居地的搜索只能局限在太阳系以内。而在太阳系内，火星是目前科学界公认的最佳选择。木卫二、土卫六可能会有生命存在，但那里并不适合人类移居。
图5地球上的戈壁和沙漠可以作为载人登陆火星前的野外训练基地。图为美国犹他州沙漠。
图6 载人登陆火星。机器人和航天员将协同考察
从太空回望地球，如果在冥王星的距离，地球像是阳光照耀下的一个暗淡的蓝色圆点。如果从太阳系外回望地球，地球就像漂浮在空荡荡的宇宙中的一粒尘埃，相当于太平洋中的一滴水。但恰恰是这个暗淡的蓝色圆点、这粒尘埃、这滴水，成为了人类唯一赖以生存的家园。在遍寻整个宇宙之后，我们遗憾地发现，地球仍是迄今为止太空中唯一适合人类长期居住的行星。保护地球，就是保护人类的未来。如果把人类看作一个大家庭，那么地球就是我们代代相传的“稀世珍宝”，我们有义务把它完好无缺地传给下一代。我们不能在地球上肆意地乱涂乱画，把一颗千疮百孔、伤痕累累的地球交给我们的孩子，这是每一个人的责任。
系外行星的想象虽然美好，但这美好的“远水”解决不了人类面临的“近渴”。人类未来的命运系于地球。
除了地球，我们别无他所。
要让世界听到我们的声音，
要让民众成为中国航天和天文领域的追随者，
这是我们这一代航天人和天文学家的使命和责任！
“郑”在聊天
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