你不会听到他们说出口，但世界上一些最受赞誉的天文学家在近二十年的时间里一直感到沮丧。在那段时间里，他们和他们的同事发现了数千颗系外行星——环绕太阳以外恒星运行的行星——并且在统计学上推断，仅在我们银河系中就有数千亿颗行星等待被发现。似乎只要用最先进的仪器足够用力地敲击任何一颗恒星，它最终就会像糖果从破裂的皮纳塔中倾泻而出一样，吐出新的世界。行星猎手们已经打开了他们的一些收获，使用望远镜仔细研究，甚至为少数令人倒胃口、不适宜居住的气态巨行星成像。然而到目前为止，他们尚未品尝到落入他们怀中最甜美、最诱人的碎片——少数可能类地、可能孕育生命的行星。
并非他们没有尝试过。即使只由一个嘈杂的像素组成，一张围绕另一颗恒星的有希望的行星的照片，也将大大有助于判断那个世界是否真的适宜居住，甚至可能有人居住。这可能是人类历史上最伟大发现的最初曙光——证明我们在宇宙中并不孤单。唉，今天最好的望远镜仍然不足。它们庞大而精密的 оптические 系统仍然太小且过于简单，无法区分在恒星耀眼光芒中旋转的岩石世界的微弱身影。似乎需要更大胆、更宏伟的东西。人们认为，要找到另一颗地球，首先必须建造一台规模、精密程度和成本都如此之高的行星成像望远镜，以至于它变得大到不能倒。然而，要建造这样一台望远镜，首先必须找到另一颗地球，让它可以合理地研究。如果行星猎手们的恳求是“给我们钱”，那么政策制定者们的回应肯定是“给我们行星”。这种第22条军规式的困境使得天文学家们只能计划如何在似乎注定永远不会到来的未来为类地行星成像并进行研究。
情况不再如此。由于上个月宣布的一项单一发现，这个未来可能会在未来几年内实现，天文学家将使用地面和太空现有的和正在建造的望远镜，而不是在异想天开的遥远未来的天文台中。这种划时代转变的催化剂是比邻星b行星，一颗新发现的小行星，围绕比邻星运行，比邻星距离我们太阳系仅四光年多一点，是离我们太阳系最近的恒星。“比邻星b行星在墙上划出了一条高高的粉笔线，我们现在都在跳起来够它，”在荷兰莱顿天文台研究新型行星成像技术的天文学家马修·肯沃西说。“电子邮件来回飞，人们正在掸去他们多年前提出的观测岩石行星的方法上的灰尘，这些方法由于找不到任何附近的行星而被搁置了。你几乎可以听到狂热的脑电波在空气中传递。每个人都知道隔壁有一个如此美丽、如此令人兴奋的目标，这真是令人振奋。”
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
目前，天文学家尚未真正看到这颗新行星——相反，他们只是测量了它的轨道牵引力如何导致比邻星在天空中来回摆动。这种摆动是一种低语，却蕴含着丰富的信息，揭示了这个世界只比地球重三分之一，并且以11天的轨道周期，在其恒星约七百万公里的轨道上运行。如果地球如此靠近太阳，将会被烤焦，但比邻星是一颗小得多、暗淡得多的恒星——一颗红矮星，是银河系中最丰富的恒星类型。因此，比邻星b行星的11天一年使其暴露在地球三分之二的星光下——足以将这颗行星置于其恒星的“宜居带”的中间，这是一个温度适宜的恒星周围区域，液态水和生命可能存在于岩石世界的表面。
所有这一切都意味着比邻星b行星不仅仅是离我们太阳系最近的邻近行星。它也是宇宙中最常见的生命栖息地，以及我们可以看到的最接近的可能类地世界的首要范例。目前研究它的热潮是未来事态的预兆，预示着2020年代和2030年代，天文学家将努力为附近恒星周围数十颗甚至数百颗其他有希望的世界成像。“这只是一颗行星，我们尚不知道它是否真的适宜居住，但这仍然是一件非常重要的事情，因为它将迅速推动该领域进入新的前沿，”亚利桑那大学的行星猎手天文学家奥利维尔·盖翁说。“我们可能会发现其他候选者，甚至比这颗更好，但就目前而言，比邻星b行星为在未来十年内成像和研究一颗潜在的类地行星提供了最佳方案。”
天眼
最佳方案是比邻星b行星发生“凌星”，周期性地掠过其恒星表面，向我们投下跨越数光年的阴影。利用那颗行星的轮廓，天文学家可以精确地确定比邻星b行星的精确大小和质量，从而确定其密度——并由此了解它是一个岩石球、一个被气体笼罩的球体，还是介于两者之间的某种东西。他们甚至可以确定比邻星b行星上层大气的大致化学成分。
要瞥见凌星的比邻星b行星周围稀薄的环状物，需要天文学家有时称之为“大玻璃”的集光能力——一个巨大的反射镜，例如美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的6.5米孔径，计划于2018年发射。但是天文学家看不到不存在的东西，而且这颗行星远非保证拥有大气层。比邻星b行星的近星轨道可能使其表面温度适宜液态水的存在，但也使其受到侵蚀大气层的恒星耀斑和潮汐力的影响，潮汐力将行星的自转锁定，使得始终面向恒星的一侧没有空气，永远沐浴在星光下，而大气层则在行星寒冷、永久黑暗的一侧冻结。此外，比邻星b行星发生凌星的可能性很小——要看到这颗行星的阴影，我们必须基本上以侧视角度观察其轨道，就像观看远处唱机上的旋转唱片的边缘一样。
不幸的是，哥伦比亚大学天文学家大卫·基平领导的一项新研究于今日发布，几乎排除了比邻星b行星发生凌星的可能性。基平和他的同事们在加拿大MOST太空望远镜收集的数据中搜索了它的凌星现象，甚至发现了一个看似令人信服的信号——但来自地面HATSouth望远镜阵列的额外数据表明，该信号是由于比邻星的耀斑而不是任何凌星世界造成的。“虽然我们在MOST数据中发现了一个候选凌星事件，但HATSouth数据以70%到90%的置信水平排除了它，”基平说。“我现在认为它成为凌星行星的可能性不到1%。这听起来非常小，但当谈到排除事物时，科学家更喜欢处理像0.0001%这样的数字，因此更确凿的答案可能需要更多数据。” 如果天文学家使用美国宇航局的斯皮策太空望远镜来<0xC2><0xA0>一劳永逸地了解比邻星b行星是否凌星，那么更多的答案可能很快就会到来。
与此同时，哈佛-史密森天体物理学中心的两位天体物理学家 Avi Loeb 和 Laura Kreidberg 已经详细制定了一项近期计划，用于在没有凌星的情况下研究比邻星b行星。在一篇新论文中，他们描述了美国宇航局的红外韦伯望远镜如何很快就能确定比邻星b行星是否拥有大气层——比邻星b行星的发现者和合作者也在一篇较早的论文中提出了这一观测建议。望远镜无法直接看到这颗行星，而是可以窥探到它的一些红外光，这些红外光穿透了附近恒星的眩光。假设比邻星b行星被潮汐锁定，韦伯望远镜就可以探测到行星热辐射的变化，当行星寒冷的夜晚侧和温暖的白天侧在一个完整的轨道周期中进出视野时，就像观察月球绕地球运行时月相的变化一样。比邻星b行星两侧之间较小的温差将表明存在大气层或海洋来重新分配热量，而较大的温差则表明这颗行星是一颗干燥、没有空气的岩石。“你有可能在仅观测11天后就看到这一点，”克雷德伯格说。“这是一项简短而甜蜜的观测。”
如果比邻星b行星被证明拥有大气层，Loeb 和 Kreidberg 还提议使用韦伯望远镜探测比邻星眩光中臭氧的红外特征，作为行星空气中可能充满氧气的迹象——在地球上，氧气主要由生命产生。但是，韦伯望远镜搜索臭氧将需要估计 60 天的观测时间，而不是 11 天，这是一项巨大且有风险的观测时间投资。“我们必须使用韦伯望远镜的所有能力才能进行这样的测量——一切都必须恰到好处，”克雷德伯格说。“对于任何其他恒星来说，这都是一个疯狂的想法，但由于比邻星是我们最近的邻居，我们有机会。从大局来看，如果我们最好的太空望远镜的两个月观测时间能够揭示与生命相关的某些东西，那么这可能是值得的。”
Loeb 对比邻星b行星还有更具远见（和更长远）的计划：发送探测器。这颗行星是突破摄星计划的“显而易见的目标”，这是一项由亿万富翁尤里·米尔纳资助的私人风险投资，旨在发射微型星际飞船舰队。Loeb 担任摄星计划顾问委员会主席。“你可能会认为，在地球上建造一台大型望远镜可以替代向行星发送相机，”Loeb 说。“但是美国宇航局行星任务的过往经验告诉我们，事实并非如此——我们总是能从直接访问一个地方学到新的东西。而摄星计划的目标就是做到这一点。”
韦伯项目科学家、美国宇航局戈达德太空飞行中心天体物理学主任马克·克兰平认为，突破摄星计划可能比韦伯望远镜在比邻星b行星上寻找臭氧更有胜算。“对研究离我们最近的恒星宜居带中的行星的兴奋感让人们兴奋起来，”他说。“但是韦伯望远镜有很多相互竞争的科学优先事项，同行评审员会问，比邻星b行星是否真的是使用如此多时间进行此类研究的最佳对象。”克兰平说，到韦伯望远镜投入使用时，美国宇航局的另一项任务——凌星系外行星巡天卫星 (TESS)，计划于 2017 年发射——将已经生成一份附近小恒星周围其他潜在宜居岩石行星的简短列表。TESS 主要搜索天空中远离比邻星的其他行星，靠近黄道极，即我们太阳系正上方和正下方的区域，这些区域很容易用大多数太空望远镜持续监测。一颗凌星附近恒星的岩石行星可能更容易研究，从而将比邻星b行星在韦伯望远镜任务规划者的优先列表中排得更低。
地面巨擘
尽管韦伯望远镜可能对研究比邻星b行星很有用，但大多数天文学家对使用即将到来的下一代地面极大望远镜 (ELT) 更为乐观，这些庞然大物拥有宽达 40 米的反射镜，计划于 2020 年代中期首次亮相。三台 ELT正在建造中，但只有两台位于南半球，那里可以看到比邻星，具体来说是在智利。其中一台是巨型麦哲伦望远镜 (GMT)，由美国、亚洲和南美洲机构组成的联盟建造，将使用七个 8.4 米碗形反射镜，形成一个 24.5 米宽的集光面。另一台是欧洲极大望远镜 (E-ELT)，由欧洲南方天文台建造，将连接近 800 个六边形 1.4 米的镜片，形成一个 39 米的反射镜——世界上最大的反射镜。“我们采取不同的技术方法是一件好事，”卡内基天文台天文学家、巨型麦哲伦望远镜组织临时主席帕特里克·麦卡锡说。“如果你只用其中一台望远镜看到这颗行星，你就会挠头想知道它是否是[仪器误差的]伪影；如果你在两台望远镜中都看到它，你就会知道它是真实的。”
受地球星光模糊大气层的限制，任何一台 ELT 都无法自然地获得直接瞥见比邻星b行星所需的清晰、稳定的图像——比邻星b行星看起来距离其恒星仅 38 千分之一角秒（一角秒是 1 度的 3600 分之一）。这两台望远镜都有可能瞥见比邻星b行星，这归功于这颗行星的近距离以及自适应光学——计算机控制的可变形反射镜，每秒改变形状 1,000 或 2,000 次，以实时校正湍流空气。然而，这颗行星仍然比其附近的恒星暗淡 1000 多万倍。配备了日冕仪——一种阻挡星光的装置，类似于拇指放在眼前可以遮挡太阳的方式——GMT 或 E-ELT 可以去除比邻星的眩光，以收集来自比邻星b行星的微弱光子，形成一个供所有人观看的行星点状图像。这个点的颜色可以粗略地进行诊断，一种色调可能暗示着全球海洋，而另一种色调可能预示着植被覆盖的大陆或干旱的烤焦岩石平原。随着时间的推移，他们可以从该点收集足够多的不同颜色的光子来构建光谱，在其变化的光谱中寻找水蒸气、二氧化碳、氧气和其他重要气体的迹象——也就是说，寻找该世界是否能够孕育我们所知的生命的迹象。
不幸的是，所有日冕仪仍然会泄漏一些星光，将不需要的光子发送到反射镜上，堆积在边缘和缺陷周围——并形成衍射斑点，这些斑点可能会掩盖或模仿真实的行星。天文学家在多大程度上能够区分和研究比邻星b行星的行星点与由此产生的幻影群，将在很大程度上取决于每台望远镜的反射镜、日冕仪和仪器的精细设计细节。
这些细节中的许多细节仍然在变化中，部分原因是由于发现了比邻星b行星以及红矮星周围其他不太轰动的世界。迄今为止，大多数日冕仪的开发都集中在为明亮的类太阳恒星周围的世界成像，在这些恒星周围，恒星-行星对比度要高得多，但被更宽的恒星-行星距离所抵消。为像比邻星b行星这样的红矮星世界成像需要不同的日冕仪设计，这些设计几乎刚刚从实验室的摇篮中诞生，对比度水平要求较低，但具有更极端的敏锐度，以捕捉几乎与它们昏暗、寒冷的恒星面颊贴面运行的行星。这部分解释了为什么 GMT 尚未确定行星成像相机的设计，而 E-ELT 的首个产品 EPICS（系外行星成像相机和光谱仪）在技术上仍然只是欧洲南方天文台 (ESO) 等待正式批准的候选仪器。
根据 EPICS 团队负责人和 ESO 天文学家 Markus Kasper 的说法，该仪器的 8 到 10 年的建造周期计划于 2019 年开始，这意味着其对比邻星b行星的观测最早也要到 2020 年代后期才能开始。即使该仪器准备就绪，其望远镜也可能尚未准备就绪：E-ELT 计划不早于 2025 年开始运行，这使得比邻星b行星的图像至少要等到未来十年甚至 20 年。
对小型望远镜的巨大希望
对于一些人来说，等待时间太长了。日内瓦大学的天文学家克里斯托夫·洛维斯认为，有一种方法可以使用比计划中的 ELT 小得多的现有望远镜，在地面上更早地观测比邻星b行星——大约在韦伯望远镜可以从太空研究它的时候。
使用比 ELT 小几倍的地面望远镜为比邻星b行星成像之所以是可行的，仅仅是因为光学物理学的一个基本怪癖：要产生任何给定分辨率的图像，较短的光波长（例如我们眼睛可见的光波长）比较长的波长需要更小的反射镜和其他光学组件。这意味着在可见光下工作的现代八米望远镜理论上可以看得足够靠近比邻星，从而将其行星从恒星眩光中摘取出来。不幸的是，在可见光而不是更长的波长下观测系外行星也需要更好的日冕仪以及更快、更精确的自适应光学系统。可见光对自适应光学的极端要求是 ELT 最初将在近红外光下观测大多数系外行星的原因——用于其巨型反射镜的可见光自适应光学系统仍需数十年才能实现。
地球上最好的行星成像项目现在位于智利北部高沙漠的 ESO 甚大望远镜 (VLT)，在那里，一种名为 SPHERE 的仪器使用自适应光学和日冕仪来拍摄明亮、年轻、巨大的系外行星的近红外光和可见光照片，这些行星因其最近的形成而发出红热的光芒。SPHERE 目前在恒星-行星对比度方面比观测比邻星b行星差大约 10 倍，在恒星-行星距离方面差 6 倍，但洛维斯有一个令人叹为观止的合理计划，可以将该仪器提升到足够好的水平。其关键在于：将 SPHERE 与另一件计划于明年在 VLT 上首次亮相的物品配对——一种名为 ESPRESSO 的高分辨率光谱仪，洛维斯是该仪器的科学家。“我们不必等待 10 年或 15 年才能等到 ELT。我们可以对 VLT 上的 SPHERE 和 ESPRESSO 进行可行、实际的升级，并可能在几年内开始研究比邻星b行星，”洛维斯说。“不利用这些现有仪器将是愚蠢的，因为它们加起来可能提供了获得这颗行星图像的最快、最具成本效益的方式。”
与 SPHERE 不同，ESPRESSO 不拍摄照片。相反，它通过摆动的恒星寻找行星——与最初探测比邻星b行星时使用的技术相同。此类仪器实际上并没有观察恒星在天空中抖动；相反，它们精确地测量恒星光的颜色，当行星拉动恒星靠近或远离地球时，恒星光的颜色会变得更蓝或更红，类似于救护车接近和快速驶过时多普勒频移改变了救护车警报器的音调。ESPRESSO 接收到 SPHERE 对比邻星的观测结果后，可以搜索来自比邻星b行星的反射可见光，由于该行星的轨道运动，反射可见光将显示出大约 50 公里/秒的多普勒频移，与剩余的星光不同。找到并隔离该信号将引导天文学家消除剩余的残留星光和地球大气层的污染影响。最终结果将是 SPHERE 单独永远无法产生的行星的干净、清晰的图像。
洛维斯与包括莱顿大学天文学家伊格纳斯·斯内伦在内的合著者合作，斯内伦在 2014 年首次在巨行星上演示了该技术，洛维斯在他的一篇新论文中详细介绍了他的计划，呼吁升级 SPHERE 的自适应光学系统以及两个仪器之间的多个光纤连接。洛维斯和斯内伦表示，如果总共给予几个月的望远镜时间，分散在可能三年的时间里，他们就可以为比邻星b行星成像，并探测该行星的大气层，寻找氧气、水蒸气和甲烷的迹象——所有这些都是确定那个遥远的世界是否真的非常像地球的关键测量值。洛维斯和斯内伦表示，即使他们的提案未能为比邻星b行星成像，它仍然有利于规划 E-ELT 未来的运行。其他欧洲天文学家正在追求他们自己的计划，研究计划对不同的 VLT 仪器 CRIRES 的升级，甚至是一个小型比邻星专用天文台是否可以提供另一条获得行星图像的途径。
一些与 GMT 幕后机构相同的机构，即美国主导的 ESO E-ELT 竞争对手，也在考虑推动使用比 VLT 更小的地面望远镜为比邻星b行星成像。亚利桑那大学的天文学家贾里德·梅尔斯计划使用智利的双子 6.5 米麦哲伦望远镜之一在可见光下寻找这颗行星。在对抗空气模糊的星光方面，他选择的武器将是一个普通的自适应光学系统，并辅以另一个更“极端”的版本，该版本使用 2,000 个计算机控制的致动器，通过每秒弯曲可变形反射镜 3,600 多次来校正大气畸变。没有其他自适应光学系统速度更快，但即使这样也可能不够快，无法深入到可见光谱中，让麦哲伦相对微薄的反射镜收集比邻星b行星的光线。
“我从未真正想过我们可以在比邻星周围为一颗地球大小的行星成像，但话又说回来，直到最近我才知道那里有一颗地球大小的行星，”梅尔斯说。“现在我只是认为这将非常非常困难——几乎达到了理论上的极限，如果一切都完美进行的话。没有人说这是一个板上钉钉的案例。但是，描述我们太阳最近的邻居恒星的宜居带中的一颗类地行星将是科学史上最重要的进展之一。这就是我们为做好准备的方式。”