天文学家有史以来第一次可能瞥见了来自另一颗恒星周围适宜生命轨道世界的光线。
这颗行星候选天体仍未被证实且没有正式命名，仅仅是计算机屏幕上的一小团像素，一个潜在的信号从背景噪声的海洋中浮现出来。如果被证实是真的，这个发现从大多数方面来看并不特别引人注目：一颗估计比地球大五到七倍的“温暖的海王星”，这种世界已经被 NASA 的开普勒和凌日系外行星巡天卫星等银河系普查员揭示为在银河系中很常见。但即使它将被气体笼罩，并且基本上没有任何可以站立的表面，它与恒星的距离也会将其置于所谓的宜居带中，液态水可能存在于此。由于相关的眩光，在任何其他恒星周围的这个星光照射区域中，还没有直接看到其他行星。而这个世界的赤道坐标将直接来自天文学家最狂野的梦想——它将围绕着一颗被称为半人马座阿尔法星 A 的太阳近亲运行，后者也是一个三星系统中的一员，距离我们只有不到 4.5 光年，是离我们最近的星系。
由于其近距离，该系统的其他成员——一颗略小的类太阳恒星半人马座阿尔法星 B 和矮小的红矮星比邻星——也是天文学家的高度优先目标，他们已经间接探测到比邻星周围至少存在两个世界（包括一个可能是岩石质的，并且位于该恒星的宜居带内）。无论是寻找城镇另一端的房产还是另一颗恒星周围的房产，位置确实至关重要。半人马座系统非常近，这为寻求研究那里存在的任何世界的大气层和表面的科学家提供了独特的前排座位，特别是为了寻找可能的生命迹象。
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天文学家很久以前就了解到，行星在某些方面就像家庭害虫：在一个地方看到一个，就可能在其他地方找到更多。这就是为什么，尽管可能只是试探性的，但半人马座世界的新兴作物暗示着尚未被发现的无数发现，这些发现可能会深刻地改变我们对自身在宇宙中地位的看法。
这些发现于 2021 年 2 月发表在《自然·通讯》杂志上。它们来自一个名为“突破守望”（Breakthrough Watch）的国际行星猎人联盟，通过一种名为 NEAR（半人马座阿尔法星区域新地球）的独一无二的“直接成像”仪器的首次科学运行获得，该仪器在智利的欧洲南方天文台（ESO）甚大望远镜（VLT）上运行。这项工作以其主要资助组织“突破倡议”（Breakthrough Initiatives）命名——硅谷亿万富翁尤里·米尔纳的心血结晶，他也是相关项目的赞助者，这些项目旨在在天空中寻找外星文明的迹象，并将品脱大小的星际探测器发送到半人马座阿尔法星系统。
“半人马座阿尔法星为我们提供了一个神奇的机会，因为在天空中没有比这里更好的地方来尝试直接成像小型、潜在宜居的行星，”研究合著者、突破倡议首席工程师皮特·克鲁帕尔说。“在某种意义上，这就像是唾手可得的果实——仅花费 300 万美元，我们就能与我们的国际合作伙伴一起建造一台仪器，以利用 ESO 在其望远镜上投入的数十亿美元。但这也像是在大海捞针，这就是为什么以前没有人这样做过。政府倾向于建造普查仪器，以观察大量的恒星并保证投资回报，而 NEAR 则是专门为做这一件冒险的事情而建造的。”
“当我们进行全球规模的合作时，我们会发现新的世界，并且我们不断进步，”米尔纳说。“在我们天体后院中识别出一个候选宜居带行星将继续激发我们的好奇心。”
闪烁信号
这个候选天体诱人的信号来自 VLT 上 100 小时的观测，总共跨越了 2019 年春季的 10 个夜晚。到那年 6 月，当“突破守望”团队成员筛选他们的观测结果时，他们开始意识到他们可能有所发现。该研究的主要作者、亚利桑那大学的萨根博士后研究员凯文·瓦格纳，首先看到了行星状闪烁信号的明显证据，它远远高于 NEAR 的仪器噪声。这发生在他在南卡罗来纳州乔卡西湖度假期间远程处理一批数据时。通过测量其亮度，并将其夹在其他小组先前的研究中计算出的行星质量和大小的限制之间，“突破守望”团队估计，如果这个闪烁信号确实是一颗行星，那么它最有可能在海王星和土星之间的大小。到 11 月，他和他的同事们确信这个发现值得发表，即使它最终被证明不是一个世界。（这不会是我们邻近的恒星系统第一次愚弄天文学家。2012 年关于半人马座阿尔法星 B 周围一颗小行星的同行评议主张几年后就消失了，被发现是恒星噪声的产物。）
“在某种程度上，我希望这次我们也什么都没探测到，”瓦格纳说。“因为我最兴奋找到的是半人马座阿尔法星宜居带中的类地行星。在半人马座阿尔法星 A 的宜居带中存在一颗海王星不会排除附近存在更小的行星，但它会限制我们希望在那里找到岩石世界的某些区域。”
对于这个微弱的信号，还有很多其他可能的解释，这个信号本质上是一缕红外光子热流——也就是说，热量——它似乎起源于半人马座阿尔法星 A 宜居带的外边缘。在可见光中，一颗类太阳恒星比一颗小型岩石行星亮数十亿倍。但在红外线中，恒星较暗，行星最亮，因此这种对比度“仅”以百万计。
几十年来，即使实现这种更适度的测量也存在困难，这限制了直接成像，使其只能用于绕恒星远距离运行的热巨行星。直到 NEAR 被建造出来。它是一种中红外日冕仪，一种专门设计的仪器，旨在在 10 微米的紧密波长下消除恒星的大部分热光。通过自适应光学元件增强以补偿地球大气湍流造成的模糊，在运行中，它每十分之一秒在半人马座阿尔法星 A 和 B 之间切换焦点，使用对每颗恒星的观测来帮助校准另一颗恒星的观测。它逐步消除星光，并堆叠一帧又一帧，以使任何微弱的行星光线积累并最终被看到。但是，任何由此产生的闪烁信号可能不是暴露行星的存在，而可能是一个遥远的背景天体、一团被星光温暖的尘埃、一个围绕恒星运行的小行星带，甚至是从光束线泄漏并喷洒到仪器内部敏感光学元件上的杂散光子造成的错误干扰。瓦格纳和他的合著者已经排除了第一种可能性（没有已知的背景恒星或星系可以解释这个闪烁信号），但其他可能性在不同程度上仍然存在。
对闪烁信号的行星状态的确认应该相对简单：只需在足够的时间过去后尝试再次观察它；如果它实际上是一颗行星，那么它的轨道运动将使其扫到围绕其恒星的一个新的、非常不同的位置。随后，使用 NEAR 进行更耗时的研究可以粗略地测量闪烁信号的颜色，以帮助消除“尘埃云”假说。但这并没有实现——至少目前还没有——因为随后的 COVID 大流行关闭了天文观测台和全球大部分其他事物。
“时机真是太可惜了，”耶鲁大学的资深行星猎人黛布拉·费舍尔说。她与这项研究无关，但她和她的前学生莉莉·赵的工作已经对可能或可能不存在于半人马座阿尔法星系统中的行星施加了迄今为止最好的约束。“如果它在半人马座阿尔法星 A 周围的宜居带中，那是一个类地轨道，因此在六个月后观察可能会确定它，”费舍尔说。“没有这一点，这篇论文不是行星探测论文，而是对 NEAR 在中红外监测半人马座阿尔法星的能力的演示。但是如果这被证明是正确的——哦，我的天哪，那就太棒了。”
勇敢的新世界
目前，NEAR 是地球上唯一有现实机会对半人马座阿尔法星隐藏的世界进行成像的日冕仪。但是，其他仪器和设施已经在等待着对该系统进行自己的仔细检查。费舍尔的高精度 EXPRES 径向速度摄谱仪和更先进的欧洲同类设备 ESPRESSO 都已投入运行。它们可以通过观察每个世界的轨道牵引在其宿主恒星上引起的周期性摆动，来帮助间接证实这颗行星候选天体和其他天体——并可以估计它们的质量。一种相关的技术，天体测量学，可以做大致相同的事情，通过测量每个世界的引力影响如何稍微改变其恒星在天空平面中的位置来精确定位行星质量。使用智利的阿塔卡玛大型毫米波/亚毫米波阵列或甚至是突破基金资助的适度专用太空任务的此类观测可能会在本十年晚些时候发生。
美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜于 2021 年 12 月发射，根据韦伯最杰出的科学家之一、加州理工学院的查尔斯·贝奇曼领导的一项研究，如果给予一整天的观测时间，它也可能能够直接成像这颗候选行星。“由于半人马座阿尔法星 A 是我们太阳的双胞胎，并且距离不到五光年，它确实是我们最近的太阳邻居，”贝奇曼说。“这使其在天空中所有的恒星中脱颖而出。在未来几十年中，没有其他系统可以进行更详细的可能研究。”
该航天局韦伯的后续任务，南希·格雷斯·罗曼太空望远镜，也将携带日冕仪作为技术演示，这可能可以拍摄到这颗候选天体的照片。
在罗曼可能发射的同时，新一代与巨型地面天文台配对的复杂日冕仪应该开始运行，这些日冕仪可以在几分钟内生成半人马座行星的图像，而目前在 VLT 上使用 NEAR 的时间需要数小时。配备 30 米或更大口径的聚光镜，ESO 的欧洲极大望远镜及其美国的同类产品，巨型麦哲伦望远镜，理论上都可以从半人马座阿尔法星 A 周围宜居带的海王星收集足够的光线，让研究人员研究其大气层，嗅探那里发生的熟悉或陌生的化学反应。（第三个庞然大物，美国的三十米望远镜，计划在北半球的一个地点建造，从那里看不到半人马座阿尔法星。）
最后，美国宇航局和其他航天机构现在正在研究 2040 年代数十亿美元的太空望远镜的概念，该望远镜可以对半人马座阿尔法星以及许多其他邻近恒星周围的小型岩石行星进行成像和寻找生命迹象。
所有这一切都意味着，即使来自半人马座阿尔法星的最新候选天体被证明是虚假的，它仍然预示着一些非常真实的事情：行星搜寻天文学家即将迎来一场巨变，他们将从安全的统计调查转向对单个世界进行更大胆的深入研究，其中一些世界可能孕育着生命。
“对我来说，这件事是否真实几乎是次要的，”直接成像领域的创新者、“突破守望”主席奥利维尔·盖恩说。“因为无论如何，它都表明我们显然正在开启天文学史上的一个新时代，在这个时代，经过 20 多年的辛勤工作，我们终于可以对另一颗恒星的宜居带进行直接成像了。这是该领域‘游戏开始’的时刻。”