寻找宜居带内的地球级行星

系外行星是近年天文学最热门也是最重要的研究领域之一，新的发现层出不穷。在所有系外行星相关话题中，在其他恒星的宜居带内搜索地球级的行星算是重中之重，这也是寻找地外生命的第一步。不过由于地球级行星质量偏小，宜居带与恒星的距离又相对较远，直到观测精度达到足够高、专用的行星搜索探测器升空之后的今天，对此类星球的搜索才露出了眉目。其实在系外行星发现后不久，人们就发现了第一批位于宜居带内的行星—室女70b以及天鹅16B b，但是它们都不是岩石星球。后来又有格利泽 876b/c、仙女座υ d、HD 28185 b、HD 69830 d等多颗宜居带内的气体巨行星浮出了水面，虽然它们本身不适合已知生命形态的生存，但它们可能拥有允许生命存在的岩石卫星。同时与地球尺度相当的行星（而非比地球更大的超级地球）也已经发现，也就是开普勒-20e/f，但是它们过于靠近恒星，表面温度很高，无法维系液态水存在。最早在宜居带内发现的超级地球是2007年发现的格利泽 581c/d。开普勒探测器在2011年公布了它的第一批可能处于宜居带内的地球级候选行星，那年开普勒还宣布第一次利用凌星法在类太阳恒星周围发现了宜居带内的超级地球开普勒-22b。而另一个研究小组在去年底宣布，在鲸鱼τ星周围发现了5颗候选行星，其中一颗超级地球级的行星可能处于宜居带之内。近日NASA宣布，开普勒探测器找到了3颗宜居带内的超级地球，最小的一颗直径只有地球的1.6倍。这样看来，发现符合要求的行星应该是指日可待的。格利泽 581c系统示意图。（图片来源：Wikipedia）这些行星的发现手段不尽相同。开普勒探测器是通过凌星法也就是测量恒星光度周期性的减弱来搜索可能的行星候选对象的，而发现鲸鱼座Tau星系统的小组使用的是更为传统的方式，也就是通过恒星径向速度的周期性变化来推算行星的性质。这两种手段都取决于观测精度，尤其是后一种，由于速度的变化取决于行星的引力，总的来说幅度相当小，由此发现的大抵是质量大且距离恒星很近的热木星，超级地球的发现是非常晚近的事情。先说说新发现的这几颗行星。它们处于两个行星系也就是开普勒-62与开普勒-69中，分别称为开普勒-62e、开普勒-62f和开普勒-69c。开普勒-62共拥有5颗行星，而开普勒-69则拥有2颗。这3颗位于宜居带内的行星都属于超级地球，开普勒-69c直径相当于地球的1.7倍，开普勒-62e是地球的1.6倍，而开普勒-62f只有地球的1.4倍，它是位于宜居带内的已知系外行星中大小最接近地球的一颗。开普勒-22b、开普勒-69c、开普勒-62e、开普勒-62f与地球的大小对比。（图片提供：NASA Ames/JPL-Caltech）开普勒-62e与开普勒-69c都处于宜居带的内缘，相当于太阳系中金星的位置。不过从轨道形态来看，开普勒-62e由于所环绕的恒星类似于太阳，它与金星更为接近，轨道周期是242天。而由于开普勒-69系统的恒星是远较太阳古老暗淡的K2型矮星，开普勒-69c的轨道周期只有100多天。开普勒-62f轨道周期更长，为267天，它应该是岩石为主的，但是现在人们对其他两颗行星的组分并不清楚。除了宜居带内的这3颗超级地球之外，开普勒-62与开普勒-69在非常靠近恒星的地方还存在有其他行星，其尺度都不是很大，最大也只是地球的2倍，最小则与火星相当。但是由于它们与恒星距离过近（轨道周期只有数日至十数日），其上不可能存在生物。 开普勒-62（左）与开普勒-69（右）的结构与太阳系的比较。（图片提供：NASA Ames/JPL-Caltech）去年在鲸鱼τ星周围发现的超级地球更大一些，质量合地球的5倍。它的引入注目之处在于距离地球很近，只有12光年。其他最宜居的星球还包括格利泽 667 c与格利泽 581 g，不过后者的存在与否依然存疑。需要说明的是，位于宜居带之内并不意味着其上拥有液态水分，更不一定说明该星球拥有生命。比如后来对室女70b的分析表明，该星球的温度实际很高，液态水无法存在；而天鹅16B b由于轨道偏心率很高，其上季节变化过于显著，也无法在整个轨道周期内都保证液态水的存在（不过有模拟工作认为其卫星可能常年保持有液态水）。此外宜居带的定义其实也是相对复杂的事情，除了要考虑恒星辐射外，还要涉及行星大气。这方面的一个例子是超级地球HD 85512 b，按照老标准它应该是宜居的，但是考虑了二氧化碳吸收以及水分形成后的新标准将它踢出了宜居带的范围。为了描述这些系外行星与地球的相似度，2011年天文学架引入了新参数–地球相似度指数，它需要考虑星球的密度、温度等多个因素，定义地球的指数为1。若行星温度适宜拥有液态水，更适宜已知生命的存在，则这个指数相应较高。目前地球相似度指数最高的是开普勒发现的候选对象KOI-1686.01，达到了0.89，但是它的存在还没有被完全证实。新近发现的开普勒-62e地球相似度指数也相当高，是0.83，同一系统中的开普勒-62f这个指数也接近0.7，这说明它们还是很有希望拥有生物群落的。如果是环绕太阳这样的恒星运转，符合要求的行星轨道周期应该在1年左右，而证实一颗行星的存在至少需要3次凌星。目前地球级行星的候选对象还有很多，但是证实它们需要花费大量的时间，所以更多位于宜居带内的地球级或超级地球行星的发现还有待时日。当然，如果行星是环绕K型或M型矮星运转的，证实它们需要的时间要短得多。而且确实有研究说明，这样的恒星在宜居带内应该拥有更多的地球级行星。在宜居带内发现地球级行星的意义除了寻找生命以外，还说明我们的太阳系并非个例。由于先前观测精度的限制，所发现的系外行星中不乏轨道周期超短但质量远大于木星的事例。这让很多天文学家怀疑像太阳系这样在宜居带内存在岩石行星，其外才是气体巨行星的系统可能是罕见的。新的发现说明，太阳系这样的结构应该是个普遍现象，热木星的大量存在很大程度上是观测的选择效应所致。顺带一提的是，科幻小说Hyperion中正是将未来人类的星际霸主政权首都设在了鲸鱼τ星，去年底的那个发现是在说明这一设定的合理性么？……内容来自 Bo Zhang's Homepage

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