在智利中部安第斯山脉的偏远高处，夜空漆黑，以至于星座都难以辨认，淹没在成群更微弱的星星之中。这熟悉又陌生的景象可能会让人感到不安，但当布鲁斯·麦金托什在 2014 年 5 月的一个深夜抬头仰望时，还有其他事情困扰着他。即使在这里，在海拔 2700 米的地方，他仍然在穿透一片空气海洋，而且风势正在增强。头顶的星星闪烁得有些过分，不适合他的目的。
麦金托什来这里是为了寻找其他地球——或者更准确地说，是为了寻找其他木星，一些科学家认为木星是岩石、适宜居住的类地行星存在所必需的。他不像大多数天文学家那样对寻找行星感兴趣，而是观察数月甚至数年，观察恒星运动或亮度的细微变化，逐渐揭示一个看不见的世界的存在。他追求的是即时满足：他打算拍摄遥远行星的实际照片，将它们视为围绕遥远恒星旋转的光点，跨越光年的鸿沟凝视它们气体漩涡的面孔。斯坦福大学的天文学家麦金托什称之为“直接成像”。
除了风之外，麦金托什感到不安还有另一个原因：在北部 600 公里处，在另一座干旱的智利山峰上，天文学家让-吕克·伯齐特正试图做完全相同的事情。伯齐特是法国格勒诺布尔行星学和天体物理研究所的天文学家，是麦金托什的朋友——也是他的竞争对手。命运和资金将这两个人同时带到山区，搜寻天空中的行星，以了解我们自己的行星是像泥土一样常见，还是宇宙中罕见之物。
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，您正在帮助确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事。
麦金托什在这场天文竞赛中选择的工具是一台价值数百万美元、汽车大小的复杂光学和传感器组合，名为双子座行星成像仪 (GPI)。它安装在双子座南方望远镜巨大的八米镜面上，这是一块镀银玻璃的抛光圆盘，占正规篮球场八分之一的面积。麦金托什和其他天文学家将该仪器的首字母缩写词发音为“gee pie”，就像他们在惊呼糕点一样。伯齐特对 GPI 的回应是一个更大、小型货车大小的小工具集合，名为 SPHERE，即光谱偏振高对比度系外行星研究仪器的缩写。SPHERE 安装在另一台八米望远镜上，位于欧洲南方天文台的甚大望远镜阵列。这两个项目都已开发了十多年，但在几个月内相继亮相。他们从偏远的山顶栖息地出发，主要勘测相同的恒星，力求成为第一个获得外星木星突破性快照的人。
在过去二十年中发现的 5,000 多个环绕其他恒星运行的世界中，几乎没有一个被实际直接成像。拍照很难，因为即使是最大、最不适宜居住的行星，从远处看，仍然非常暗淡，并且显得非常靠近它们更明亮的太阳。拍摄一张行星的照片——即使它只是像素中的一个小污点——你也可以了解很多关于这个世界的组成、气候和生命的可能性。GPI 和 SPHERE 对类木行星的探索是目前的最新技术；人类尚未建造出足够大、足够精密的望远镜，能够从相邻恒星的强烈眩光中提取出外星地球的微弱光线。但是，如果他们这样做，这些设施几乎肯定会使用从这两个项目中开发的仪器。
在天文学中，就像在日常生活中一样，眼见为实。虽然直接成像可能非常困难，但它也可能比当今主要的行星探测技术快得多，有可能通过花费数小时或数天获得的图片来交付发现，而不是通过数月或数年对神秘恒星数据集的费力分析。这就是为什么，在这场拍摄外星木星首张照片的竞赛中，说每一分钟都很重要并不为过。
龟兔赛跑
2014 年 5 月的那个深夜，麦金托什在双子座南方控制室工作时，时间在他身上显得格外沉重。他有一张孩子气的脸庞，棕色的头发呈新月形，一双活泼的眼睛从厚厚的眼镜后面窥视着。他靠健怡可乐和肾上腺素支撑着，仍然因从加利福尼亚到智利的多次转机而感到时差反应。他的一只鞋带松开了，空气中飘来一股淡淡的烟味，来自一份被遗忘的冷冻披萨晚餐，现在在附近的烤面包机里变成了焦炭。当他凝视着一排监控 GPI 生命体征的电脑屏幕时，似乎只有他的身体在房间里——他的思绪飘到了隔壁圆顶内的八米望远镜中，追踪着光束在仪器内部的反射。
在 GPI 开始寻找新行星之前，它必须首先经历“调试”，这是一系列漫长的测试和校准，于 2013 年底开始，到 2014 年 5 月的这个时候，正处于最后阶段。这项工作枯燥乏味，而且毫无魅力——没有人因为确保仪器正常运行而获得过任何奖项。在以分钟为单位衡量的竞赛中，GPI 比 SPHERE 领先四分之一百万分钟，而到同一时间，SPHERE 才刚刚开始调试过程。然而，这对麦金托什来说只是小小的安慰，因为 SPHERE 拥有更强大的仪器套件和比 GPI 更多的有保证的望远镜时间，这应该使 SPHERE 能够在更大的视场、更高的光谱分辨率和更宽的波长范围内观察更多的恒星。换句话说，即使 GPI 处于领先地位，就像伊索寓言中跑得快的兔子一样，SPHERE 仍然可以像乌龟一样从后面赶上来，并首先找到梦寐以求的行星。
星星的闪烁来自大气中的湍流，这使得 GPI 团队落后于计划。在等待风停的时候，麦金托什告诉我多年前的故事，当时他、伯齐特以及 GPI 和 SPHERE 团队的其他高级成员会在世界各地的天文学会议上狂欢，他们未来的冲突还远未浮现在脑海。那些时光早已成为过去。“我们会聚在一起，豪饮，交流故事，”麦金托什说。“即使现在，他们也不是真正的敌人——云层才是敌人。还有风。”
半小时后，风势减弱。“好吧，让我们看看 HD 95086，”麦金托什说着，转动椅子对着房间里十几名团队成员说。他们立即行动起来，在控制隔壁圆顶内望远镜的计算机上键入命令。片刻之间，望远镜已转向目标，一颗距离地球 300 光年的蓝色矮星，位于船底座星座。从天文意义上讲，HD 95086 是一颗年轻的恒星——只有大约 1700 万年历史——并且拥有一颗质量是木星五倍的巨行星，其轨道大约是冥王星的两倍远。早期，能力较弱的直接成像项目已经见过这颗行星——该团队将通过将 GPI 的新图像与早期结果进行比较来校准 GPI。
就像 GPI 寻找的所有世界一样，这颗特殊的行星自形成以来几乎没有冷却过。它在红外光中发出明亮的光芒。就亮度而言，大多数行星比它们的恒星暗数百万或数十亿倍，就像热核火球尖端的尘埃颗粒。年轻的木星则不同。它们更像是远离篝火冷却的炽热余烬，这正是 GPI 或 SPHERE 有任何希望看到它们并了解它们究竟是如何形成和演化的原因。
木星的秘密起源
在专家中，没有人真正知道环绕太阳运行的最大天体是如何形成的，这是一个令人尴尬的公开秘密。但专家们迫切希望找出答案，因为木星和其他巨行星是行星系统的架构师，塑造着周围的一切。
大多数已知的环绕其他恒星运行的巨行星与木星完全不同。许多存在于酷热的半周轨道中，这与我们太阳系中的任何事物都格格不入。普遍的理论是，这些地狱般的世界诞生于更远的地方，只是由于与其他行星或气体流的引力相互作用而螺旋下降并紧贴它们的太阳。这种迁移对宜居性不利——在此过程中，螺旋式内旋巨行星的引力场很可能会将任何小的、岩石行星抛入星际黑暗或抛入其恒星的火焰中。这些巨行星离它们的恒星太近，以至于今天的技术无法直接成像。
像其更热的系外行星表亲一样，木星在其早期也可能发生过迁移，但由于原因尚不清楚，其迁移只是暂时的，并没有将这颗巨行星带到离太阳很近的地方。相反，它可能冒险进入到与今天的火星相当的距离，然后退回到外太阳系，并一直停留在那里。尽管巨行星的运动会破坏行星系统的宜居性，但在木星的情况下，它们似乎使我们的太阳系成为更适宜居住的地方。至少，人们认为木星的游荡将富含水的彗星和小行星抛向我们已经形成的地球，带来了赋予生命的海洋。最多，木星冲入内太阳系甚至可能清除了其他先前存在的行星，从而使地球得以首先形成。即便如此，木星给予的东西，它也可能夺走。数百万年后，木星可能会再次用更多巨大的小行星或彗星撞击我们的星球，产生灾难性的撞击，这将煮沸我们的海洋并蒸熟我们的生物圈。
所有这些细节，在某种程度上，都可以追溯到木星神秘形成的性质和时间。这一点是肯定的：就在 45 亿多年前，一片寒冷的 газовое 和尘埃云坍缩形成了我们的太阳。云层中没有落入我们新生恒星的残余物旋转成一个圆盘，行星就是从这种物质中形成的。岩石世界相对较小，很容易通过一种称为核吸积的自下而上的过程组装起来，在这种过程中，碰撞的岩石逐渐聚集在一起，历时多达 1 亿年。大多数研究人员怀疑木星也是以同样的方式形成的。但要做到这一点，它必须形成得更快，在大约 1000 万年的时间内建立起地球大小的内核，有足够的时间在气体原料被年轻恒星的强烈光线吹走之前扫走巨大的大气层。
还存在另一种可能性。巨行星也可能像恒星一样，通过一种称为圆盘不稳定性的自上而下的过程形成。在这种情况下，像木星这样的天体将通过星周盘外部区域寒冷、过密的气体和尘埃团的直接、快速坍缩来实现行星状态。今天几乎不可能区分木星的这两种情景，因为基本上所有证据都字面上埋藏在这颗巨行星稠密、厚厚的大气层之下。
幸运的是，还有另一种方法可以测试巨行星是从自下而上还是自上而下形成的：你可以测量它们的温度。直接从坍缩的气体团自上而下形成的行星会发生得非常快，以至于大量的热量会被困在行星内部。而自下而上形成的行星虽然最初仍然是炽热的，但会相对较冷。“随着越来越多的气体落到岩石内核上，它会受到其下方气体的阻碍，受到围绕内核形成的大气的阻碍，”GPI 的合作者马克·马利说，我后来与他交谈过，他是美国宇航局艾姆斯研究中心的行星形成理论家，他帮助模拟了这个过程。“当气体减速时，会产生冲击波，大部分入射气体的能量会辐射出去，从而快速冷却正在形成的行星。因此，当您停止向行星倾倒气体时，行星会比直接坍缩时冷却得多。”
因此，巨行星的温度实际上是其诞生的记忆。行星越老，冷却得越多，其记忆就越模糊。木星大约 45 亿岁，很久以前就忘记了它是如何形成的。但是，年龄小于几亿年的巨行星——GPI 和 SPHERE 正试图在红外线下成像的行星——应该仍然保留着它们的热记忆。通过调查数百颗明亮、年轻的附近恒星，这两个项目可能会探测数十颗巨行星的温度和历史，解开它们形成的秘密，并揭示像我们自己的宜居系统是如何形成的。
对外星木星进行成像
当 GPI 团队准备观测 HD 95086 时，一个单色的圆圈出现在麦金托什的一个屏幕上。它似乎包含一种高度像素化的流体，就像一条奔腾的河流或一台充满静电的未调谐电视机的数字化特写镜头。
“你看到的是风，”麦金托什说。“那是星光穿过大气湍流并落在驱动我们自适应光学系统的探测器上。”自适应光学是计算机控制的可变形反射镜，它们每秒改变形状数百甚至数千次，以对抗大气扭曲，使天文学家能够捕获与太空望远镜提供的图像相媲美的天体图像。通过几次击键和口头命令给他的团队，麦金托什启动了 GPI 的自适应光学系统。GPI 的两个可变形反射镜——安装在八米望远镜下方，一个是现成的玻璃“低音扬声器”，另一个是定制的、装有 4,000 多个执行器的较小的“高音扬声器”——现在正在同步地起伏和卷曲，将每一个瞬时光线涂抹的口袋和上覆空气的流动与它们表面上相应的凹陷或尖峰相匹配，将星光射线雕刻回接近完美的程度。结果似乎很神奇：麦金托什屏幕上湍流的圆圈变得平滑而平静，就好像头顶的大气突然消失了一样。HD 95086 现在是屏幕上耀眼的光芒。没有行星的迹象。
为了揭示这颗恒星已知的行星，麦金托什启动了另一个设备，一个日冕仪，它剥离了大部分星光：光线遇到一系列掩模，过滤掉 99% 的光子。穿过掩模的光子被聚焦并瞄准一个中心孔被抛光到原子尺度光滑度的反射镜。“恒星的光线落入孔中，”麦金托什解释说，而行星的光线则会从反射镜上反射出去，更深入到仪器中，到达一个超冷的摄谱仪，该摄谱仪将光线分成其组成波长（或颜色）。
屏幕上的图片现在是一个白光的块状光环，环绕着 HD 95086 应该在的深邃的中心阴影。这些块状物——称为斑点——是由泄漏通过日冕仪的不需要的星光形成的。斑点会遮蔽 GPI 图像中的行星，甚至伪装成行星。为了区分斑点和行星，该团队在各种红外波长下拍摄了一系列曝光。“恒星和斑点之间的距离与图像中光的波长成正比，”GPI 项目科学家詹姆斯·格雷厄姆说，他是加州大学伯克利分校的教授，当我们盯着屏幕时，他这样说道。在较短、较蓝的波长下，斑点会显得更靠近恒星；格雷厄姆解释说，在较长、较红的波长下，同一个斑点会显得更远。“因此，当您看到整个 [波长] 序列时，斑点会移动。行星不会。”
麦金托什像电影中的帧一样来回滚动堆叠的曝光，光环似乎在呼吸，当所有块状物一致移动时，光环会膨胀和收缩。所有块状物，也就是说，除了一个：一颗从恒星斑点海洋中捕捞出来的孤立的、固定的行星光点。在不到半小时的时间里，我们从只看到风变成了凝视着另一颗恒星周围的遥远世界。对来自 GPI 数据的行星光谱的进一步分析暗示，这颗行星非常红，这可能是其高层大气中散射光线的尘埃过多的结果。这是一个关于 300 光年外世界的微小但令人兴奋的细节。
并非所有目标都如此难以看到；更近、更亮的恒星可以更容易地泄露它们的一些秘密。早些时候，GPI 团队仅需 60 秒的单次曝光即可捕获到绘架座β星 b 的图像，这是一颗年轻、炙热的巨行星，距离地球 63 光年，其轨道几乎是木星-太阳距离的两倍。看到这颗行星的容易程度表明，直接成像最终正变得司空见惯：双子座南方望远镜上稍旧的直接成像仪先前拍摄过类似的绘架座β星 b 图像，尽管它需要超过一个小时的观测和大量的后期处理。新的图像使 GPI 团队能够比以往任何时候都更精确地估计绘架座β星 b 的轨道，揭示出它可能在 2017 年从地球上看到的角度凌日其恒星表面——这种罕见的排列对于寻求更多了解这颗遥远巨星的科学家来说将是一个福音。
在日出前的剩余时间里，GPI 团队对双星、微弱的碎片盘，甚至土星的卫星泰坦进行了成像，向下窥视其浓密、朦胧、富含碳氢化合物的大气层，观察其斑驳的表面。黎明时分，当即将到来的太阳的光芒开始从地平线升起时，麦金托什深深地靠在椅背上叹了口气，疲惫但很满意。
在为期六天的运行的最后一晚，GPI 团队发现了它的第一颗行星，围绕着一颗 2000 万年前的恒星运行，距离是木星-太阳距离的两倍。麦金托什不是第一个注意到它的人——加州大学伯克利分校的博士后学生罗伯特·德罗萨在查看另一位队友肩膀上的一些平淡无奇的 GPI 图像时，发现了这个闪烁的光点。随后的观测表明，它的质量是木星的两到三倍，大气层中充满了甲烷，热到足以熔化铅。这颗行星距离地球 100 光年，但它是天文学家见过的最接近木星的天体。
“这是任何人有史以来发现的第一颗看起来像温暖版木星而不是非常冷的恒星的行星，”麦金托什说。“这颗行星可能还足够年轻，可以‘记住’它的形成过程。通过足够的观测，我们可以确定它的质量和年龄，并弄清楚它是像我们认为木星那样自下而上形成的，还是像恒星那样自上而下形成的。”
当麦金托什告诉我时，他还发誓要我保密，直到 GPI 团队能够撰写并提交论文。“SPHERE 也很容易看到这一点，”他说。“我们不知道他们是否已经看过同一颗恒星。我们都很紧张，我们会被人抢先。”
未来的第一道曙光
黎明后不久，我离开双子座南方望远镜，乘飞机向北飞去，租了一辆车，在智利高海拔、干燥的阿塔卡玛沙漠中孤独的高速公路上疾驰，行程 600 多公里，在夜幕降临前到达 SPHERE。日落后不久，我到达了 SPHERE 的天文台——甚大望远镜。在一个狭小的控制室里，项目负责人伯齐特正在指挥他的部队，调试工作开始了。天文学家们俯身在电脑屏幕上，用法语、德语和英语 тихо 交流着，试图忽略来访的纪录片摄制组的摄像机和动臂麦克风。伯齐特头发和胡须蓬乱，看起来有点像已故的电影导演斯坦利·库布里克。他从一个工作站游荡到另一个工作站，啜饮着浓缩咖啡，不时停下来倾听和建议。附近书架上放着一瓶最近被清空的罗兰百悦香槟，“SPHERE 第一道曙光”用黑色记号笔潦草地写在标签上。
SPHERE 在调试期间表现出色，拍摄了各种天体的精美照片，包括 HR 4796A 周围的微弱尘埃环，这是一颗位于半人马座星座中，距离地球 237 光年的 800 万年历史的恒星[参见对页插图]。后来，当我凝视着环绕被遮蔽的恒星中心的环时，我感觉自己正在被注视着——它看起来像一只巨大的眼睛，跨越星际鸿沟凝视着。但是，尽管有这些漂亮的图片，但在我访问的当晚，伯齐特告诉我，SPHERE 还没有完全准备好去发现新的行星。系统的自适应光学系统并非一切顺利：SPHERE 价值 100 万欧元的 1,377 单元可变形反射镜上的一些反射镜弯曲执行器正在失效，而且团队中没有人能弄清楚原因。伯齐特说，最终的解决方案可能是用一种使用不同执行器技术的新反射镜替换整个反射镜。即便如此，他对 SPHERE 和 GPI 都将实现并超越各自的目标感到乐观。与此同时，调试工作必须继续进行——它在今年早些时候结束，产生了它自己的第一批早期科学观测结果，生成了几个先前成像的行星系统的图像。
当我问他 SPHERE 与 GPI 之间的竞争时，伯齐特的第一个反应只是微笑并啜饮咖啡。片刻之后，他小心翼翼地说。“一旦我们都开始发现新的行星，就不会有人记得谁先升空，”伯齐特说。“我并不是说我们不会竞争和战斗，我们和美国人。但布鲁斯·麦金托什和我认识 15 年了，我们都知道这有多难。我们庆祝我们的成功，分享我们的困难，以改进我们 दोनों 系统，为下一代天文台和成像仪做好准备。”
“随着所有这些设施几乎在同一时间上线，我们正在进入一个新时代，”加州理工学院教授、时任 SPHERE 首席仪器科学家的迪米特里·马维说。“我们将发现许多奇妙的事物，但我们也将大大推动自适应光学技术的发展。这对于下一代望远镜至关重要，这些望远镜将需要这些类型的控制来保持其巨大反射镜的对准。”
其中一台新的望远镜正计划在 SPHERE 东北方向 20 公里的阿马佐内斯山 3000 米的山峰上建造。在我访问后不久，炸药炸掉了山峰的顶部，为欧洲极大望远镜的建造清理了场地，欧洲极大望远镜是计划在十年左右首次亮相的三座超大型天文台之一。结合如此天文台巨大的 30 米或 40 米反射镜前所未有的集光能力，类似于 SPHERE 或 GPI 的系统将不仅能够对外星木星进行成像，还能够对更冷、暗淡 1000 倍、可能适宜居住的行星进行成像，这些行星环绕着离太阳最近的邻近恒星运行。太空中的专用直接成像任务可以进一步探测它们，寻找生命迹象。前提是，这样的世界真的存在并且可见。获得这些图像，瞥见外星地球的前景，正是激励 GPI 和 SPHERE 等项目背后许多人的动力。
麦金托什在我们在双子座南方望远镜的对话中说过很多：“我将我们现在所做的一切都视为通往另一颗地球照片的道路上的步骤。总有一天我们会得到那张照片。如果我们最终从小型的、岩石行星的比例中获得真正相关事物的 результати——哪些拥有海洋、大气氧气等等——并且这个数字结果非常小，那么，这可能非常重要。在很长一段时间内，它可能对我们文明的进程没有实际影响，但在哲学上，能够说‘在 1000 光年内，我们是唯一像这样的地方’，也许这会促使我们更加努力地不去搞砸它。”