在所有科學(xué)家希望回答的問(wèn)題中，很少有能像“在我們的地球之外，是否有其他有生命的世界？如果是，有像人類一樣擁有智慧的外星生物么？”一樣激動(dòng)人心的。然而，我們?nèi)绾文苷业絿@太陽(yáng)以外恒星運(yùn)行的、類似地球的巖石世界呢？引人注目地，關(guān)于存在這種世界的天文學(xué)證據(jù)可以追溯到一百年前。該證據(jù)涉及對(duì)一種叫“白矮”星的恒星的觀測(cè)，白矮星是我們的太陽(yáng)在50億年后將會(huì)成為的恒星類型。白矮星研究表明，成分類似地球的巖石世界在我們的銀河系中很常見(jiàn)。因此，找到適合生命存在的巖態(tài)行星的前景是光明的。
“給少年的科學(xué)前沿”系列（7）
撰文 本杰明·祖克曼（加州大學(xué)洛杉磯分校物理和天文系）
原文編輯 艾梅·珍妮特·亨尼西（美國(guó)亞利桑那大學(xué)）
翻譯 林一平
審校 茍利軍（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)）
編輯 韓琨
小黑板
系外行星：所有圍繞太陽(yáng)以外恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星都叫做（太陽(yáng)）系外行星。
白矮星：一種體積遠(yuǎn)小于我們的太陽(yáng)、跟地球差不多大的恒星。幾乎所有正常恒星最后都會(huì)變成白矮星，對(duì)于我們的太陽(yáng)，這種變化將會(huì)發(fā)生在50億年之后。
光譜儀：一種將光分解成彩虹一樣的若干顏色的儀器。每種顏色對(duì)應(yīng)于某種波長(zhǎng)的光，因?yàn)槊糠N元素只發(fā)射和吸收對(duì)應(yīng)于該元素的特定波長(zhǎng)的光，光譜儀可以測(cè)量產(chǎn)生光的物質(zhì)中存在哪些元素。
隕石：一種來(lái)自外太空的石頭或者金屬物體，在穿越地球大氣的過(guò)程中幸存下來(lái)，擊中地球的陸地或者水域表面。隕石起源于小行星之間的碰撞。
在所有科學(xué)家希望回答的問(wèn)題中，很少有問(wèn)題能像“在我們的地球之外，是否有其他有生命的世界？如果是，有像人類一樣擁有智慧的外星生物嗎？”一樣激動(dòng)人心。宇宙中可能存在其他生命，是我八、九歲那會(huì)開(kāi)始對(duì)天文著迷的原因之一。像很多孩子一樣，我在游覽本地（美國(guó)紐約市）天文館的過(guò)程中獲得良多，也癡迷于科幻電視和電影。我仍然記得我的英雄閃電戈登和扎爾科夫醫(yī)生與殘忍的銘在銘的母星蒙戈的大戰(zhàn)。（譯者注：閃電戈登是美國(guó)上世紀(jì)三十年代的一個(gè)太空冒險(xiǎn)漫畫(huà)故事。）
六十年后的今天，我作為一名天文學(xué)家，已經(jīng)花費(fèi)幾乎整個(gè)職業(yè)生涯的時(shí)間去調(diào)查宇宙中生命問(wèn)題的相關(guān)現(xiàn)象。我最近的研究聚焦于行星系統(tǒng)的起源和演化，包括我們最熟悉的行星系統(tǒng)——太陽(yáng)系。大部分天文學(xué)家預(yù)想生命只能起源于行星，也許還是大小、組成（構(gòu)成行星的材料）和溫度類似地球的行星。地球、金星、火星和水星被稱為“巖態(tài)”行星，因?yàn)樗鼈儙缀跞坑晒虘B(tài)物質(zhì)構(gòu)成，只有少量的氣態(tài)物質(zhì)（比如我們大氣中的氣體）。
本文的主要目的，是描述天文學(xué)家現(xiàn)在如何可以第一次測(cè)量構(gòu)成圍繞太陽(yáng)以外其他恒星運(yùn)行的巖石世界的“基本構(gòu)成單元”成分。如果其成分與地球類似，那就可以合理地推斷這些世界也許孕育著外星生命，也許還是與地球生命差別不大的生命形式。
在我年輕的時(shí)候，我們還不知道太陽(yáng)系外存在任何別的行星，天文學(xué)家們討論了如何尋找“系外”行星的技術(shù)。一種很顯然的尋找系外行星的辦法就是“直接成像”，也就是可以看到和拍攝圍著其他恒星轉(zhuǎn)的行星的照片，就像在夜空中可以看到金星和木星一樣，用合適的儀器可以拍攝這些系外行星的照片（見(jiàn)圖1）。當(dāng)無(wú)法直接拍攝系外行星的照片時(shí)，天文學(xué)家可以改換其他技術(shù)，即通過(guò)行星對(duì)其繞轉(zhuǎn)恒星的影響來(lái)揭示行星的存在。比如說(shuō)，假如從地球上的望遠(yuǎn)鏡看過(guò)去，行星正好從其恒星的前方經(jīng)過(guò)，行星會(huì)擋住一小部分恒星光芒，這種變暗是可以測(cè)量的。在我們太陽(yáng)系中，偶爾也會(huì)有從地球看過(guò)去金星從太陽(yáng)前方經(jīng)過(guò)的現(xiàn)象。2004年和2012年就發(fā)生了兩次，成千上萬(wàn)的人們借助太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡目睹了這一現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）。（譯者注：請(qǐng)勿使用任何望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)太陽(yáng)，請(qǐng)?jiān)趯＜抑笇?dǎo)下使用合適的濾光器材，以免造成嚴(yán)重傷害。）
圖1. 亮星HR 8799和它已知的四顆巨型行星的圖像。四顆行星分別為恒星右側(cè)、上方和下方的亮點(diǎn)、以及左上角的那個(gè)較暗的點(diǎn)。恒星其實(shí)比行星亮很多很多，但這張圖里恒星的光芒被一個(gè)恰當(dāng)放置于恒星前方的遮蓋物擋住了。因?yàn)檫@種遮擋并不是完美的，在圖片中心可以看到殘余的星光從遮蓋物邊緣透出。HR 8799以及它的四顆比木星還重的行星距離地球約130光年。（加拿大國(guó)家研究院、C. 馬魯瓦、凱克天文臺(tái)）（AU=天文單位）
圖2. 金星從太陽(yáng)前方穿越，2012年拍攝于夏威夷哈雷安卡拉。金星是太陽(yáng)圓面上黑色的圓點(diǎn)，其他不那么明顯的特征是太陽(yáng)黑子和太陽(yáng)高能活動(dòng)增強(qiáng)的區(qū)域。（由克萊中心天文臺(tái)的羅恩·丹托魏特茨和威廉學(xué)院-霍普金斯天文臺(tái)的杰伊·巴薩喬夫拍攝）
目前天文學(xué)家正在使用的、用來(lái)揭示地外巖石世界組成的最佳技術(shù)，不是較老的傳統(tǒng)技術(shù)，而是包含了新東西。本文將描述這一使天文學(xué)家感到非常驚奇的新技術(shù)。通過(guò)分析來(lái)自恒星的光，我們可以學(xué)到更多有關(guān)這顆恒星是由什么構(gòu)成、是否有行星圍著它轉(zhuǎn)動(dòng)的知識(shí)。最大的驚奇也許是，一百年前，在天文學(xué)家懂得如何解釋星光之前，這種技術(shù)就產(chǎn)生了首批關(guān)于系外行星系統(tǒng)存在的證據(jù)[1]。該行星系統(tǒng)圍繞著一顆叫做范馬南2的恒星，該恒星得名于發(fā)現(xiàn)它的天文學(xué)家阿德里安·范·馬南（AdriaanVan Maanen）。天文學(xué)家花了近百年的時(shí)間才有足夠的天文和技術(shù)知識(shí)來(lái)理解這一證據(jù)，并認(rèn)識(shí)到范馬南2被一個(gè)行星系統(tǒng)所環(huán)繞[2]。
類似于活著的生物，恒星也有誕生、年老和死亡。我們的太陽(yáng)正處于中年時(shí)期。它已經(jīng)存在了46億年，按照物理計(jì)算，它還會(huì)繼續(xù)存在同樣的時(shí)間，隨后成為白矮星。現(xiàn)在的太陽(yáng)具有30萬(wàn)個(gè)地球的質(zhì)量，和100倍于地球的直徑（直徑是指通過(guò)某顆行星或恒星中心并向外延伸至表面的線段的長(zhǎng)度）。太陽(yáng)成為白矮星之后將仍有現(xiàn)在一半的質(zhì)量，但它會(huì)變得很小，只有地球那么大（這就是為何這類恒星被稱為“矮”星）。因?yàn)榘装求w積跟地球差不多大，質(zhì)量卻比地球大10萬(wàn)倍，它們非常致密且有強(qiáng)大的引力。如果你現(xiàn)在體重是100磅（約45公斤，譯者注），在一顆典型的白矮星上，你的重量將會(huì)超過(guò)1000萬(wàn)磅。銀河系中有很大一部分恒星將會(huì)以白矮星的形式度過(guò)晚年，范馬南2就是一顆白矮星。
引力是自然界中的基本相互作用力之一。太陽(yáng)系中的所有物體，太陽(yáng)、行星、小行星都能感受到太陽(yáng)系中其他物體的引力（拉扯）。如果白矮星由行星和類似我們太陽(yáng)系小行星那樣的小天體所圍繞，那么行星的引力拉扯可能會(huì)改變小行星軌道，使得小行星非常靠近白矮星。在其強(qiáng)大引力的作用下，白矮星會(huì)將小行星撕扯成小塊的巖石殘骸。這些殘骸先是進(jìn)入環(huán)繞白矮星運(yùn)行的軌道，形成類似土星環(huán)那樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。一段時(shí)間之后，這些繞轉(zhuǎn)的殘骸將會(huì)墜入白矮星。
圖3. 繞白矮星運(yùn)行的行星系統(tǒng)的藝術(shù)概念圖。白矮星為紅色圓環(huán)中心的白點(diǎn)，在前景中我們可以看到巖態(tài)小行星。如果這種小行星的軌道被行星引力改變的足夠多，那么該小行星可能非常接近白矮星，并被撕裂成近距離繞轉(zhuǎn)的巖態(tài)碎片。紅色圓環(huán)代表已經(jīng)被白矮星強(qiáng)大引力撕碎的早期小行星的巖態(tài)碎片。
我們?cè)谧匀唤缫?jiàn)到的每一件東西，都是由叫做化學(xué)元素的92種獨(dú)特的原子“積木”搭建起來(lái)的。一種元素的證認(rèn)和命名依據(jù)于其原子核心也就是原子核的大小。氫是最簡(jiǎn)單和最輕的元素，鈾是自然界中發(fā)現(xiàn)的最重的元素。使用一種可以將白光分解為彩虹一樣的若干顏色的、叫做光譜儀的儀器，天文學(xué)家可以確定墜入白矮星的巖石殘骸所來(lái)自的小行星由哪些元素組成。因此，找到圍繞白矮星運(yùn)行的巖石天體的化學(xué)組成是可能的。行星科學(xué)家相信我們太陽(yáng)系中的水星、金星、地球、火星等巖態(tài)行星形成于46億年前，是由大量類似現(xiàn)在在火星和木星軌道間運(yùn)行的小行星的小天體匯集而成的。我們現(xiàn)在通過(guò)墜入地球的隕石來(lái)得到這些小行星的直接樣品，隕石是很早以前由遭到碰撞的小行星產(chǎn)生的小碎片。
因此，通過(guò)將來(lái)自太陽(yáng)系的火星、地球、月球和小行星的元素組成，與在很多白矮星大氣中看到的殘骸的組成相比較，天文學(xué)家現(xiàn)在可以回答“圍繞太陽(yáng)外其他恒星運(yùn)行的巖石世界是否有類似于我們地球的化學(xué)組成，或者有非常不同的化學(xué)組成？”這一問(wèn)題了。如果化學(xué)組成非常類似或者非常不同，那么這會(huì)是一個(gè)支持或者反對(duì)其他巖態(tài)系外行星上存在生命的可能性的重要的證據(jù)。
地球上含量最豐富的四種元素是鐵、鎂、氧、硅。天文學(xué)家使用分光鏡對(duì)白矮星大氣進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)這四種元素同樣主導(dǎo)了巖態(tài)系外行星的化學(xué)組成[3]。因此天文學(xué)家頭一次可以確信地說(shuō)，白矮星研究證明了大部分圍繞恒星運(yùn)行的巖石世界的化學(xué)組成類似于地球的整體化學(xué)組成。更詳細(xì)的理解需要更進(jìn)一步的研究，很可能需要使用位于行星際空間的望遠(yuǎn)鏡。
在我們的行星上，組成的元素并不是均勻混合的。相反地，地球上大部分鐵元素都深埋于地球的中心也就是地核中；位于地核上方的地幔則富含鎂元素；最外層的地殼含有豐富的硅和鋁。行星和較大的小行星在不同深度有不同化學(xué)組成的現(xiàn)象被稱為“層化”。
通過(guò)光譜儀測(cè)量某些白矮星大氣中殘骸的化學(xué)組成，可以得出關(guān)于曾經(jīng)環(huán)繞該恒星運(yùn)行的巖石天體的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。比如說(shuō)，一顆名為NLTT 43806的白矮星大氣中的物質(zhì)含有格外多的鋁和相對(duì)比較少的鐵（NLTT 43806是名為NLTT的星表中的一顆恒星，NLTT星表是由天文學(xué)家威廉·魯坦在二十世紀(jì)中葉編撰的）。我們可以將NLTT 43806大氣中九種元素的含量與太陽(yáng)系中包括隕石、地球上和月球表面的物質(zhì)進(jìn)行比較，通過(guò)這種方式，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)NLTT 43806中的化學(xué)組成類似于地殼和上層地幔的物質(zhì)的混合[4]。這一結(jié)果可以由一顆曾經(jīng)或者正在繞NLTT 43806轉(zhuǎn)動(dòng)的層化的地外行星來(lái)解釋，這顆行星具有地殼、地幔和地核。
如果這顆行星遭受了強(qiáng)烈但并不是正面的碰撞，那么這種碰撞會(huì)剝離層化行星的部分外層結(jié)構(gòu)。如果碰撞產(chǎn)生的巖石殘骸隨后落入NLTT 43806，那就可以解釋在這顆白矮星大氣中測(cè)量到的元素比例。
回到范·馬南百年前的發(fā)現(xiàn)，多年后的今天，我們終于弄明白了他的光譜儀當(dāng)年在范馬南2上探測(cè)到的鐵、鎂、鈣等元素，是來(lái)自之前繞該白矮星運(yùn)行的一顆或者多顆破裂的巖態(tài)小行星或者行星。最近關(guān)于NLTT 43806等白矮星的研究證明過(guò)去十余年天文學(xué)家對(duì)巖態(tài)系外行星的理解有了長(zhǎng)足進(jìn)展。我們現(xiàn)在知道這種世界的化學(xué)組成與地球類似，而且也有層化結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家下一步要做的，就是確定這些行星是否孕育了外星生命形式。
參考文獻(xiàn)
[1] van Maanen, A. 1917. Two faint stars with large proper motion. Publ. Astron. Soc. Pac. 29:258–9. doi: 10.1086/122654
[2] Zuckerman, B. 2015. Recognition of the first observational evidence of an extrasolar planetary system. In 19th European Workshop on White Dwarfs, Proceedings of a conference held at the Université de Montréal, Montréal, Canada 11-15 August 2014. ASP Conference Series. Vol. 493. eds. P. Dufour, P. Bergeron and G. Fontaine. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. p. 291.
[3] Jura, M., and Young, E. 2014. Extrasolar cosmochemistry. Annu. Rev. Earth Planet Sci. 42:45–67. doi: 10.1146/annurev-earth-060313-054740
[4] Zuckerman, B., Koester, D., Dufour, P., Melis, C., Klein, B., and Jura, M. 2011. An aluminum/calcium-rich, iron-poor, white dwarf star: evidence for an extrasolar planetary lithosphere? Astrophys. J. 739:101–10. doi: 10.1088/0004-637X/739/2/101
審稿人
來(lái)自拉普瓦伊高中14-17歲的學(xué)生：拉普瓦伊高中位于美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州拉普瓦伊，靠近內(nèi)斯·皮爾斯保留地。九名塔米教堂數(shù)學(xué)班的內(nèi)斯·皮爾斯學(xué)生審閱了本文。
本文譯自Frontiers for Young Minds網(wǎng)站。
原文標(biāo)題：Are There Other Earths Out There? Astronomers’ First Clues to an Answer Date Back 100 Years
