本文发表在《大众科学》的前博客网络中,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点
夜空中第三亮的恒星是半人马座α星。它是我们最近的恒星邻居,是《变形金刚》、《小毛茸茸的生物》和《泛银河系漱口液》的虚构诞生系统……现在也是我们最近的系外行星的所在地。
半人马座α星实际上是一个三星系统。它由一对双星,半人马座α星A和B,以及一颗更遥远的矮星组成,名为比邻星。一颗行星正是在这颗昏暗的第三颗恒星周围被探测到的。
这个发现让我的社交媒体信息爆炸了。这个新世界的最小质量比地球大30%,并且接收到相当数量的光和热。任何熟悉系外行星新闻的人都知道,这足以开始打包行李,并购买注定会有的“星巴克”咖啡连锁店的股票。
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任何熟悉我信息的人都知道我即将对这个“婴儿”发起冰桶挑战。
公平地说,这很令人兴奋。它真的非常令人兴奋。事实上,我太兴奋了,以至于我放弃了早晨清理我新空公寓的家务,而是坐在一个纸板箱上写这篇文章。
让我们首先剖析那些行星属性的描述。比邻星b是通过径向速度技术发现的:这是由于行星的引力产生的恒星运动中的轻微摆动。摆动越大,行星的引力就越强,因此,行星的质量越大。这一切都是正确的,但是这让我们遇到了第一个注意事项
注意事项#1:我们只知道最小质量
我们只能直接测量恒星朝向地球的运动。这意味着我们只看到了行星对恒星影响的一部分。
这就像试图通过观察热气球的阴影来判断它移动了多远。你可能会低估移动的距离,因为气球向上移动(导致其阴影位置没有变化)以及水平移动。你可能认为气球不需要太多气体就能移动这么短的距离,但实际上它需要很多燃料才能垂直爬升。同样,比邻星的行星可能质量更大,但它的大部分力量是相对于我们的视线“向上”拉动恒星。
我们测得的1.3个地球质量与比邻星b的真实质量有多接近,取决于其围绕恒星运行的轨道方向。如果我们从侧面准确地观察轨道,那么1.3个地球质量就是真实值。如果它更接近正面,那么质量可能是地球质量的70倍;属于气体巨行星的范围。如果我们假设方向是完全随机的,那么行星最有可能约为2.6个地球质量。
那么...这意味着什么?
要大致了解比邻星b的真实情况,我们需要它的密度。高密度将表明一个具有固体表面的世界,而低密度将表明一个类似海王星的气体巨行星。对于密度,我们需要大小。
对于所有那些宣称“发现地球大小的行星!”的头条新闻——感到羞耻吧。我们对比邻星b的尺寸一无所知。这意味着这颗行星可能是一个岩石超级地球,或者是一个气体海王星。
然而……如果我们要做一个猜测……一个岩石行星是可能的。有经验证据表明,小于约1.5倍地球大小的行星通常比气体行星更像岩石。这个边界对应于大约4.5个地球质量的行星质量,假设是地球般的硅酸盐岩石成分。这比比邻星b最可能的质量要大。因此,让我们乐观地说,我们有一个具有固体表面的行星,但请记住,这只是基于一项测量的有根据的猜测。
让我们继续谈论光和热的问题。比邻星b比地球离太阳近得多。事实上,它的轨道距离只有我们距离的5%。这比水星近得多,水星的距离是地球到太阳距离的40%。比邻星b上的一年仅需11.2天即可结束。然而,比邻星在恒星中是一个弱者。它是一颗红矮星,质量仅为我们太阳的10%多一点。因此,它只向比邻星b输送了我们在地球上获得的辐射量的2/3。
这意味着,如果你用地球的大气层覆盖比邻星b,地表温度将会很冷……但它可以支持液态水的存在。也就是说,比邻星b正好位于宜居带中。
注意事项#2:宜居带并不能说明任何关于宜居性的信息。
我讨厌宜居带这个术语,因为任何理性的人都会认为它标志着一个适合生命存在的地方。你知道的,“宜居”这个词就在名字里。
事实并非如此。
宜居带的全部含义是,一个具有类似地球的大气层和表面压力的行星可以容纳液态水。我们有任何迹象表明比邻星b具有类似地球的大气层吗?
一个猜测。两个选择。答案不是“是”。
宜居带根本没有告诉我们关于行星的任何信息,只告诉了它的位置。如果木星位于地球的位置,它将位于宜居带,但肯定不会比现在更宜居。宜居带仍然很有趣,因为它可以作为后续研究的筛选工具的一部分:在超过3000颗已知行星的动物园中,我们需要挑选出最好的候选者进行进一步观察。但这并不意味着我们正在选择地球。
宜居带也没有告诉我们关于恒星的太多信息。这就引出了第三个注意事项
注意事项#3:红矮星有行为问题。
红矮星会通过喷射被称为耀斑的恒星物质来弥补它们的小尺寸。太阳也有耀斑,但比邻星的耀斑要大得多,而且这颗行星比我们离太阳近得多。最终的结果是,比邻星b上的X射线浴是地球上的400倍。这个值是现在的:这颗恒星的早期会危险得多。这种辐射水平(过去或现在)可能会剥夺大气层,蒸发所有水,并核弹式摧毁行星上的所有生命。
……或者可能不会。地球受到其磁场保护,免受太阳耀斑的侵害。如果比邻星b有一个熔融的铁核和一些板块构造活动,那么它可能已经用磁性安全背心包裹了自己。我们知道吗?毫无头绪。即使这颗行星是岩石行星,其成分混合可能与地球完全不同。即使它与地球具有相同的岩石配方,也可能仍然没有磁场:金星在大小和质量上与我们非常接近,但在磁力方面几乎为零。
恒星的耀斑活动导致了另一个问题...
注意事项#4:这颗行星可能不存在。
耀斑、星斑和一般的恒星活动会产生恒星旋转时的摆动,这看起来很像一颗行星。行星与恒星相比太小了,因此非常非常容易将它们在恒星呻吟和吱吱声中的微弱低语误认为行星。恒星越活跃,探测难度就越大。
已公布的比邻星b信号看起来是合理的,但恒星的活动导致了怀疑。我们需要独立的观测才能确定这颗行星确实存在。如果它最终被证明是一个假阳性,它也会有很好的同伴:2012年,一颗质量与地球相当的行星在半人马座α星B周围被宣布发现,但在对数据进行新的分析导致信号消失后被撤回。
如果这颗行星确实存在,它与恒星的近距离可能会导致另一个问题:它可能是潮汐锁定的。就像月球和地球一样,比邻星b的一侧可能永久地面向恒星,而另一侧则是一个永恒的夜晚之地。这是否会造成一个死亡烤制和死亡寒冷的割裂世界,再次取决于行星的大气层。如果空气可以环绕并重新分配恒星的热量,地表条件可能是可以居住的。或者,它可能是有史以来最糟糕的烤制火鸡。
还有一个问题,我们不真正知道宜居需要什么条件。只有地球作为支持生命的参考点,我们无法判断哪些条件是最关键的。例如,行星是否需要在一个世界系统中才能将水输送到其表面?拥有月球对于加热是否重要?如果行星的轨道不是圆形的,而是一个弯曲的椭圆会发生什么?(如果有人看到过对“地球相似度”的引用,只需漂白你的大脑。
还值得记住
注意事项#5:我们已经见过类似的行星了。
比邻星b不是离地球最近的质量系外行星,也不是第一个在宜居带中发现的行星。然而...
注意事项#6:好吧,好吧,这仍然是重大新闻...
比邻星b是可能存在的离我们最近的系外行星,这就是它的发现令人难以置信的原因。开普勒太空望远镜为我们提供了关于行星数量和这些外星系统结构的惊人统计数据,但只提供了行星本身的单个半径测量值。为了更多地了解行星的形成和生命的发展,我们迫切需要关于这些个体世界的细节。特别是,我们需要一颗足够近的岩石行星来检查其大气层并开始探测地表条件。这个候选者很可能就是比邻星b。
比邻星b永远不会是“类似地球的”,因为它的恒星绝对不是“类似太阳的”。然而,红矮星是我们银河系邻域中最常见的恒星,它们周围的行星是最容易找到的。科学界一直在争论这种恒星是最好的目标(容易找到行星)还是最糟糕的目标(温暖的行星危险地靠近恒星),以探索宜居性的前景。未来对比邻星b的观测有望将事实注入到一直以来是猜测和模型的辩论中。
那么接下来是什么?
最理想的情况是,我们可以观测到行星从恒星表面经过。这就是行星探测的“凌星法”:当行星在其轨道上从恒星和地球之间穿过时,会遮挡住恒星发出的一小部分光。被遮挡的光量及其持续时间可以让我们了解行星的直径,并确认其轨道的方向。有了这些信息,我们就可以得到行星的平均密度,并有可能在星光掠过其边缘时瞥见行星大气层的内容。
不幸的是,比邻星b实际发生凌星现象的概率很低。天文学家们长期以来一直满怀希望地注视着我们最近的恒星,如果它像一个周期性调光开关那样运行,我们应该早就发现了它。这意味着从地球的角度来看,这颗行星要么没有发生凌星,要么是因为该恒星频繁发生大规模耀斑而导致凌星无法被探测到。
然而,另一个令人兴奋的前景是直接成像。行星(幸运的是)不像恒星那样是熊熊燃烧的地狱,但它们确实会散发出一些热量。如果可以检测到这些热量,我们实际上就能看到这颗行星。直接成像技术仍处于起步阶段,通常只能发现远离恒星的木星大小的世界。但是,比邻星的接近意味着我们现在可能可以用我们最好的望远镜捕捉到它的一瞥……或者很快就可以借助詹姆斯·韦伯太空望远镜(哈勃望远镜的继任者)和正在筹备中的地面欧洲极大望远镜等仪器实现。直接看到行星也将使我们能够检查其大气层和潜在的表面环境。在我看来(好吧,可能有点偏见),这使得比邻星b成为这些望远镜最令人兴奋的目标。
但是,比邻星b如此之近,我们难道不能去访问它吗?
警告 #7:最近的系外行星仍然远得令人发指。
比邻星距离地球4.24光年。人类旅行的最远距离是绕月球一圈:只有微不足道的0.0000004光年。旅行者1号——我们最远也是目前速度最快的航天器——仍然需要大约75,000年才能到达这个星系(而且它的方向不正确)。
尽管如此……世界上最疯狂的想法之一最近获得了资金。由俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳资助的“星际航行”项目计划在20年内开发一种方法,将小型探测器发送到半人马座阿尔法星。将此描述为“希望渺茫”在多个层面上都是一个玩笑。然而,如果它是可行的,现在就有了最伟大的目的地。