探索行星的下一个前沿领域

2017年8月21日上午，在爱达荷州米德维尔的一片草地上，我的家人和我满怀期待地等待着。几分钟后，我们将被月球的阴影笼罩。和数百万其他前往从俄勒冈州延伸到南卡罗来纳州的狭长地带的人们一样，我们即将目睹一场日全食。

事后，我想知道在那一刻，有多少初出茅庐的年轻天文学家被创造出来，他们被白天那诡异的暮色和太阳白色炽热日冕的罕见景象所吸引。几个世纪以来，日食一直是灵感和知识的源泉，至今仍然如此。我自己的研究并非依赖日食，而是依赖另一种完全不同的日食类型：系外行星的“凌星”。尽管望远镜实际上无法观察到行星的轮廓在其恒星表面移动（当该恒星远在光年之外时），但当行星阻挡了其恒星光线的一小部分时，亮度发生的微小下降足以告诉我们，一个外星世界存在。

天文学家在1999年探测到首次系外行星凌星现象。十年之内，这一数字超过了100个。现在，由于主要归功于美国国家航空航天局（NASA）的开普勒任务（该任务将于今年结束），我们已经发现了近4000颗凌星系外行星。尽管凌星法目前是我们寻找遥远世界最有效的方法，但其他行星搜寻技术也发现了700多颗系外行星。总而言之，我们发现了行星形成理论未曾预料到的各种各样的世界，而且我们怀疑我们仅仅触及了浩瀚海洋的表面。

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今年，NASA 和欧洲航天局 (ESA) 都计划发射新的望远镜，专门用于探测凌星行星。与此同时，山顶天文台的创新望远镜正在将搜索范围扩大到太空任务不会探索的恒星类型。而这一切仅仅是为 ESA 计划于 2026 年发射的终极日食探测航天器吊足胃口。

目前的概况

我们现在对系外行星的大部分了解都来自开普勒。在 2009 年发射后，该望远镜绕太阳运行，毫不眨眼地盯着天鹅座和天琴座的星空，监测约 150,000 颗恒星的亮度。2013 年，在两个反作用轮（保持天文台指向正确方向）发生故障后，该望远镜开始执行修改后的计划，但令人惊讶的是，它仍然能够继续积累行星发现。

尽管事实上日食是罕见的。开普勒在它搜索的恒星中仅发现了百分之几的行星日食证据，形式为短暂且周期性的亮度下降。每次亮度下降序列都暴露了一颗行星的存在，该行星的轨道恰好几乎完美地与我们的视线对齐，导致每次绕行时都发生微小的部分日食。光线损失的分数告诉我们行星轮廓的面积，相对于恒星横截面而言。因此，较大的天体更容易探测到：例如，从远处看，木星凌日会产生 1% 的亮度下降，而地球凌日期间的光线损失仅为 0.01%。没有人弄清楚如何用地球表面的望远镜测量如此微小的信号；我们的大气层过度扰乱了星光。因此，我们需要空间望远镜。

开普勒发现了近 5,000 颗候选行星，其中超过 3,500 颗行星通过后续分析被证实为实际行星。大多数开普勒行星分为两类：大致地球大小或稍大的行星（“超级地球”）和略小于我们第八颗行星的行星（“迷你海王星”）。开普勒发现的大多数行星系统中只有一个已知的行星，但其中数百个行星系统有多个行星，最近发现的一个系统有八个行星，与太阳系相当。这些数字反映了开普勒自身的观测偏差——它更容易发现更大、更靠近其恒星轨道运行的行星的能力——以及行星的总体情况。

开普勒的一些发现确实令人惊讶。例如，在我看来，它最深远的发现是微型太阳系的存在。这些太阳系有多达六颗行星拥挤在一颗恒星周围，其轨道甚至比水星绕太阳的轨道还小。它们的意义如此重大的原因是它们很常见。如果你指向夜空中一颗随机的类太阳恒星，结果表明它有 50% 的几率至少有一颗大于地球的行星，其轨道比水星绕太阳的轨道更近。没有人预料到这样的行星会很常见；事实上，一些最详细的理论预测它们会特别罕见。标准的行星形成理论遗漏了一些基本的东西。

开普勒还发现了一些罕见的、怪异的行星，这些行星曾被预测到——由科幻小说作家预测到。我最喜欢的一个是 KOI 1843.03，一颗地球大小的行星，离它的恒星如此之近，以至于它的向阳面必定有数千度。它的表面可能被岩浆海洋覆盖，与虚构的星球大战行星穆斯塔法非常相似，那是欧比旺和安纳金史诗般的光剑决斗的地点。KOI 1843.03 的轨道非常小，完成一次完整公转仅需 4.25 小时，与观看星球大战：第三部和所有花絮的时间大致相同。与此同时，开普勒-16b 类似于卢克·天行者的家乡星球塔图因：它的天空中有两个太阳。它的轨道环绕着一对彼此环绕的双星。

还有开普勒-36，那里有两颗行星几乎共享相同的轨道，导致它们混乱地相互作用。即使我们知道行星当前的精确位置在 1 米以内，我们也无法预测它们几十年后的位置——这是一个行星版本的“蝴蝶效应”。在地球上，科学革命始于对行星运动的理解。想象一下，对于开普勒-36 系统中的任何科学家来说，这将有多么困难！

开普勒最初旨在回答一个古老的问题：类地行星有多普遍，或者说有多罕见？就这个术语而言，大多数天文学家指的是大小和质量与地球相似的行星，这些行星可能拥有液态水海洋。这样的行星必须位于其恒星周围的区域内，该区域的恒星热量足以融化水冰，但又不会将其汽化。科学家们将这个距离范围称为“宜居带”，因为他们认为液态水对于地球上生命的开始至关重要，或许其他地方也是如此。

开普勒在宜居带中发现了大约十几颗潜在的岩石行星，使我们即将回答这个问题。现在我们所需要做的就是除以开普勒搜索过的恒星数量，以计算出拥有类地行星的恒星百分比，对吗？这听起来很简单。实际上，计算非常复杂。开普勒观测的恒星中有多少颗足够小、足够明亮和足够稳定，以至于望远镜能够探测到它们周围的类地行星，这一点并不明显。弄清楚这一点将需要再花费一年左右的时间来仔细检查数据并确定恒星的属性。

更大的窗口

尽管我们非常喜爱开普勒，但该任务有一个主要的局限性。该望远镜主要指向一个方向，仅观察了天空的 1/400。因此，开普勒必须在该方向上看得更远，才能监测足够大的恒星样本，从而使这项调查值得进行。典型的开普勒恒星距离我们数千光年。

现在，像任何天文学家一样，我喜欢用关于遥远天体的故事（数百万亿公里之外）让观众眼花缭乱。但从实际角度来看，遥远是不好的。遥远的恒星是昏暗的，只能向我们的望远镜发送涓涓细流般的光子。这种昏暗限制了我们数据的精度，并使一些测量变得不可能。例如，我们无法测量大多数开普勒行星的质量。凌星信号告诉我们行星的直径，但没有告诉我们它的质量。这种差距让我们想知道我们正在处理的是哪种行星。它是像地球一样致密且多岩石？它是像木星和土星一样扩散且呈气态？还是介于两者之间？只有同时知道直径和质量，我们才能判断出来。

确定行星质量的常用方法是测量恒星响应行星引力的加速度：行星质量越大，恒星被拉动的程度就越大。我们使用多普勒频移来跟踪恒星的运动，多普勒频移是恒星光波长因其朝向或远离我们运动而产生的微小变化。（这种方法有时也可以让我们发现以前未知的行星，因为即使行星不发生日食，我们也可以发现恒星泄露天机的摆动。）该技术需要高分辨率光谱学：我们需要将星光分散成彩虹，并测量其在至少约 50,000 个不同波长处的强度。但是，对于昏暗的恒星来说，没有足够的光线可以如此稀疏地分散开来。

NASA 的下一个任务，凌星系外行星巡天卫星 (TESS)（我是该任务的共同研究员），旨在解决这个问题。机载将有四架望远镜，每架望远镜的直径为 10 厘米，只有开普勒望远镜的十分之一大小。这种设置可能看起来很奇怪——通常进步的方向是朝着更大的望远镜发展，而不是更小的望远镜。但是，较小望远镜的优势在于视野更广；收集面积和视野之间的这种倒数关系已融入到光学基本定律中。每台 TESS 相机看到的天空几乎是开普勒的六倍，此外，TESS 还会旋转以窥视不同的天体方向。最终，TESS 应该能够观测到比那些恰好位于开普勒狭小视野中的恒星多得多的明亮恒星。

TESS 计划于今年 3 月至 6 月之间发射。在接下来的两年里，TESS 将通过将天空划分为 26 个部分重叠的扇区并监测每个扇区约一个月的时间来扫描大约 90% 的天空。与开普勒一样，我们预计 TESS 将发现数千颗行星，但它们将围绕通常亮 30 倍的恒星运行。当我们使用地面望远镜来跟进 TESS 的发现时，这种亮度将是一种福音——与它们跟进开普勒发现的能力相比，这些望远镜的光收集能力似乎提高了 30 倍。

紧随 TESS 之后的是欧洲航天任务，系外行星特性探测卫星 (CHEOPS)，计划于 2018 年底发射。CHEOPS 拥有一架直径为 32 厘米的单筒望远镜，将用于一项不同且互补的任务。TESS 将以有条不紊且预定的模式扫描广阔的天空，而 CHEOPS 将指向已经有一些行星证据的单个恒星并收集更好的数据。

例如，TESS 可能会发现有趣的行星的暗示性证据，但统计意义值得怀疑。在这种情况下，我或我的同事 TESS 科学家之一将拿起连接我们与 CHEOPS 团队的红色电话热线，询问他们是否可以更好地观察一下。或者考虑比邻星和罗斯 128，这两颗附近的恒星，多普勒技术已经提供了地球质量行星正在拉动它们运动的证据。CHEOPS 将能够检查这些行星和其他行星的日食。该望远镜仍然需要一些好运，因为我们从正确方向观看轨道的可能性很小；对于比邻星来说，它只有 1.4%。但是，如果我们真的中了头彩，我们将能够比其他情况下更多地了解这些行星。

小恒星

这些新工具将把我们带到行星搜寻的下一个前沿领域，但它们仍然有其缺点。为了确保恒星的变暗是由经过的天体引起的，而不是仪器故障，科学家们希望看到它至少重复一次，最好是多次。然而，TESS 将在任何给定恒星上凝视仅一个月——时间远不足以观察到地球等行星的多次凌星，地球绕其恒星运行需要一年时间。对于天空的少数百分比，所有 TESS 的观测扇区都重叠，它将观测长达一年——但即使是这个跨度也比开普勒的四年凝视竞赛短得多。

因此，TESS 将主要限于发现轨道运行速度非常快的行星，在几周或更短的时间内——这并不理想。这种短持续时间是科学家们为使任务符合 2.28 亿美元预算而做出的主要妥协。我们认为这是一个很好的让步，因为开普勒教会我们，短周期轨道中存在各种各样的行星：熔岩世界、低密度“绒球”行星、混乱相互作用的行星，甚至是在其恒星的炽热中明显瓦解的行星。TESS 将找到这些类型的奇异行星的最近和最容易研究的例子。然而，围绕类太阳恒星的真正类地行星将不得不等待。

尽管如此，TESS 是长期探索其他行星生命的重要组成部分。我们预测 TESS 将在宜居带内发现大约十几颗行星，与开普勒发现的数量大致相同。诀窍是不要再如此坚持类太阳恒星。天文学家喜欢将太阳称为一颗完全普通的恒星，只是银河系中数千亿颗恒星中的一颗。但这有点善意的谎言。实际上，太阳高于平均水平。银河系中的大多数恒星都是所谓的红矮星，它们是比太阳更冷、更暗的恒星，质量不到太阳的一半；如果太阳是百老汇舞台上的聚光灯，那么红矮星就是蜡烛。

你需要非常靠近蜡烛才能获得与聚光灯相同的温暖。因此，红矮星的宜居带非常靠近恒星，那里的轨道周期很短。非常方便的短。对于质量为太阳五分之一的红矮星，任何宜居带行星都将在几周内绕其旋转，使其进入 TESS 的搜寻范围。

开普勒观测了几千颗红矮星，发现它们充满了近距离行星，甚至比类太阳恒星的比例更高。在数十万颗 TESS 目标恒星中，大约有 50,000 颗红矮星。尽管它们很暗淡，但红矮星因体积小而弥补了这一点，这使得行星在凌星时更容易阻挡它们大部分表面，从而为我们的望远镜提供明显的亮度下降。例如，一颗行星在亮度为另一颗恒星 1/16 的恒星前面穿过，与在另一颗恒星前面穿过同样容易被探测到，只要第一颗恒星的半径只有第二颗恒星的一半即可。事实上，红矮星前面的行星非常清晰，甚至没有严格必要使用空间望远镜来探测它们。

因此，目前正在地面望远镜上开展多个项目，以搜寻红矮星周围的行星。然而，由于这些恒星很暗淡，天文学家正在使用大型望远镜，这将必然具有狭小的视野。他们必须一次监测一颗恒星，这使得这是一项低效率、长期的事业。经过多年的搜索，这些努力只产生了三个行星系统，但这三个系统是该领域最轰动的发现之一。其中之一，TRAPPIST-1，在 2017 年初成为头条新闻。这个微小的行星系统有七颗——是的，七颗——地球大小的行星紧密地挤在一个质量如此之低的天体周围，以至于它几乎勉强算作一颗恒星。七颗行星中至少有两颗位于恒星的宜居带内。（“TRAPPIST”这个名字据说是首字母缩写词，但它实际上是比利时首席研究员 Michal Gillon 最喜欢的啤酒之一，他现在以他最喜欢的饼干之一“SPECULOOS”命名了一个更雄心勃勃的项目。）

前进的道路

在所有这些太空任务和地面项目之后，我们将知道数千颗凌星行星的位置，这些行星的恒星足够明亮，可以进行详细的后续研究。我们可以期待测量它们的质量，了解行星结构，并获得更多关于正确的行星形成理论的线索。如果一切顺利，我们将拥有越来越多的潜在宜居的地球大小的行星。

然后呢？我们如何迈出下一步，弄清楚这些潜在宜居行星是否有人居住？自 20 世纪 50 年代以来一直倡导的传统方法是将大型射电望远镜指向恒星，并希望我们能够收听到任何智能外星文明的广播。虽然这是一个有效计划，但我们不知道它是否会奏效。

另一种方法是分析行星的大气层，寻找生命迹象。我们可以通过玩凌星技巧来实现这一点。行星大气层的最外层是半透明的，因此当行星位于恒星前方时，一小部分星光会穿过滤过行星的大气层，并到达另一侧，在那里它继续前往我们的望远镜。然后，我们可以使用传统的光谱学技术来探测行星大气层的成分。每种原子或分子都有其喜欢吸收或向其他方向偏转的特定波长的光。这种偏爱源于电子根据量子理论所具有的离散能量集。例如，钠喜欢特定的橙黄色阴影，因为钠原子的外层电子很容易吸收波长为 589 纳米的光。

然后，诀窍是在凌星之前、期间和之后监测恒星的光谱。在凌星期间，行星大气层中的原子和分子在其喜欢的波长处去除星光，稍微改变了观测到的恒星光谱。然后在凌星结束后，我们再次看到恒星的普通、未改变的光谱。如果我们足够仔细地做到这一点，我们可以取正常光谱和凌星光谱之间的差异，并隔离由行星引起的微小变化。

天文学家已将这项技术应用于木星大小的凌星行星，甚至是一些海王星和天王星大小的行星。它已经在外星大气层中发现了甲烷、一氧化碳和水等分子。但我们从未将其应用于地球大小的行星，因为它们的信号非常微弱，而且到目前为止我们发现它们周围的恒星都太遥远和昏暗。如果我们曾经在类地行星大气层中发现氧气，那会令所有人热血沸腾。地球大气层中含有如此多氧气的原因是生命。如果地球上的生命突然消失，地球地壳中的岩石将在数百万年内吸收所有氧气以制造氧化物。因此，人们认为，一颗拥有大量氧气的行星可能就是小绿人的家园——或者至少是某种类型的生物。因此，希望即将到来的调查能够提供围绕足够明亮的恒星运行的地球大小的行星，以便我们能够询问它们的大气层。

从这个意义上说，TESS、CHEOPS 和 SPECULOOS 充当了下一个伟大的天文台——詹姆斯·韦伯太空望远镜的寻星镜。这艘耗资 100 亿美元的航天器计划于 2019 年发射。除了许多其他方面之外，这项技术奇迹将是迄今为止可用于凌星光谱学的最强大的工具。但是，韦伯望远镜的计划寿命只有 5 到 10 年，之后它将耗尽维持其轨道所需的燃料。这个时间表给发现天空中最好和最亮的目标带来了一些紧迫性。

由于韦伯望远镜的观测时间需求量很大，一些系外行星天文学家已经联合起来，提议建造专门的空间望远镜，这些望远镜将只进行凌星光谱学研究。美国的任务被称为快速红外系外行星光谱巡天探测器 (FINESSE)，其欧洲对应物是大气遥感红外系外行星大型巡天 (ARIEL)。“红外”一词出现在这两个名称中，因为水和二氧化碳等分子最容易在红外波长下被发现。在未来一两年内，我们应该知道这些任务是否会继续进行。

更远的未来是计划于 2026 年发射的欧洲航天器 PLATO。我认为 PLATO 是一架超级 TESS，它将拥有 24 架望远镜来扫描天空，而不是仅仅四架。PLATO 应该能够比以前的望远镜更灵敏、持续时间更长地搜索行星。

至少同样重要的是，PLATO 的数据质量将足够高，可以检测到与恒星振荡相关的亮度变化。事实证明，恒星像任何流体天体一样，会以类似于地震的波浪起伏，这就是为什么对它们的研究被称为“星震学”。这些振荡的频率和模式取决于恒星的内部结构，例如其密度和成分。当 PLATO 发现一颗行星时，我们将受益于对恒星基本属性的更深入了解，包括目前对我们隐藏的一个属性：它的年龄。随着时间的推移，振荡会揭示年龄，因为恒星中心的核熔炉会将越来越多的氢转化为氦，从而导致地表波浪频率的细微变化。通过星震学，我们可以判断一颗恒星是刚刚开始核聚变，还是已经进行了 100 亿年。我们将能够看到行星系统如何在宇宙时间中演化。

在科学家们正在进行的开普勒数据分析以及即将到来的 TESS、CHEOPS、韦伯和 PLATO 任务之间，行星搜寻议程已满。我们已准备好最终开始潜入我们刚刚开始探索的无限容器中。所有那些被去年夏天日食迷住的初出茅庐的年轻天文学家，长大后将有大量的行星日食可以研究。