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宇宙中有3億顆宜居行星，我們能找到其中一個嗎？

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2021年2月08日 -
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讀創深圳商報官方帳號開普勒-186f的概念圖。 圖源：T. Pyle / NASA Ames / JPL-Caltech開普勒-186f，第一顆在太陽以外恒星旁發現的適居帶內半徑與地球相若的系外行星，半徑稍大於地球，處於宜居區的邊緣。 十年前，一群天文學家著手調查一個令哲學家、科學家、牧師、天文學家、神秘主義者和其他人類嘲笑的最古老的問題：這個宇宙中還有多少個地球（如果有的話）？據我們所知，有多少遙遠的行星可以孕育生命？他們的工具是開普勒飛船（Kepler spacecraft），它於2009年3月發射升空，執行為期3年半的任務，監測銀河系一片天空中的15萬顆恒星。 它的目標是捕捉當一顆系外行星從它的主星前面時經過造成的恒星光線的微小減弱。 “它不是E.T.，但它是E.T.的家。 ”William Borucki在2009年3月發射任務開始時如是說道。 William Borucki是美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames Research Center）退休的天文學家，他構想了這個項目，花了20年時間說服NASA完成它。 在2018年最終失效之前，他已經在這些恒星中發現了4000多個候選行星。 到目前為止，沒有任何跡象表明有生命或居住（當然，它們離我們很遠，很難進行研究）。 根據這一數據推斷，銀河系中有數十億顆系外行星。 但其中有多少是潛在宜居的星球呢？在對開普勒飛船搜集的數據進行了兩年的研究後，由研究中心的Steve Bryson領導的44名天文學家組成的研究小組得出了他們所說的確定答案（至少目前是這樣）。 他們的論文已被《天文學雜志》（Astronomical Journal）接受發表。 開普勒飛船的正式目標是測量一個被稱為eta-Earth的數字，即在“適居帶”中有地球大小的物體繞其運行的類日恒星的比例。 適居帶溫度足夠高，表面可以保留液態水。 研究小組計算出，在質量和亮度與太陽相似的恒星中，至少有三分之一，甚至可能高達90%的恒星都有像地球這樣的岩石存在於它們的宜居帶中，這個範圍反映了研究人員對他們各種方法和假設的信心。 不管你怎麼看，這都不是一個小數目。 據NASA的估計，銀河系中至少有1000億顆恒星，其中約40億顆與太陽類似。 如果這些恒星中只有7%有適合居住的行星——這是一個非常保守的估計——那麼僅在整個銀河系中就可能有多達3億顆適合居住的行星。 “我們的估計非常保守。 ”該報告的作者之一、位於馬裏蘭州Greenbelt的NASA戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的研究員Ravi Kumar Kopparap說，“因此，我們有意壓低了估計數字。 ”2011年哈勃太空望遠鏡觀測到的銀河系中心。 圖源：NASA科學家們估計，僅在我們自己的星系中就有大約3億顆可能適合居住的行星。 天文學家計算出，平均而言，最近的這類行星應該在20光年之外，而在離太陽30光年左右的範圍內應該有4個。 “從飛船發射到論文發表，花了11年時間，但就是這樣了。 ”加州大學聖克魯茲分校（University of California，Santa Cruz）的天文學家Natalie Batalha在一封充滿喜悅的電子郵件中說道，“這是我們一直在等待的科學結果——這就是2001年12月開普勒被選中進行飛行的原因。 ”這一新結果意味著，該星系的“肥沃程度”至少是2013年開普勒數據首次分析中估計的兩倍。 Andrew Howard、Erik Petigura和Geoffrey Marcy（他們不是開普勒項目組的成員）得出的結論是，大約五分之一的類日恒星，在其宜居帶中存在行星。 Batalha表示，這次的改進之一是增加了來自歐洲GAIA衛星的數據，該衛星已經測量了10億顆恒星的位置和亮度。 這些知識使開普勒的科學家們能夠更精確地繪制出恒星的宜居帶。 另一個改進是處理統計數據的方法，盡管正如Batalha指出的那樣，“調查本身是不完整的。 正如你不能給每個公民打電話做調研，你不可能觀測每一顆星星。 ”在開普勒項目中，這種局限性很嚴重。 開普勒的定位系統在開普勒完成其主要調查之前就失靈了。 開普勒的主要調查限制它探測軌道周期小於700天的行星，這個周期大約是地球一年的兩倍。 在一封電子郵件中，哈佛-史密森天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的David Charbonneau表示，他對這個結果有點懷疑：“開普勒任務沒有發現很多真正的類似地球的行星（（可以說一個也沒有發現）），即與地球半徑相同、運行時間相同、因此接收到的光量相同的行星，也沒有發現類似太陽的恒星。 ”正如Batalha當時所說的那樣：“我們還沒有任何候選行星在大小、軌道或恒星類型方面與地球完全相似。 我們現在還不知道。 因此，天文學家不得不從他們看到的行星上推斷數據。 ”盡管這些觀察到的行星與地球大小相仿——半徑為地球的一半到1.5倍——而且據推測是岩石構成的，但沒有人知道它們的細節，也沒有人知道它們是否有生命存在於上面。 他們離得太遠，不適合進一步研究。 到目前為止，我們所知道的只有一顆行星，也就是我們自己的行星，存在生命。 但還有很多機會可以找到存在生命的星星。 開普勒對eta-Earth的測量僅適用於像太陽這樣的恒星，但在銀河系中，這些恒星的數量遠遠超過了更小、更暗的恒星，即紅矮星。 據現任職於加州大學伯克利分校（University of California，Berkeley）的Courtney Dressing的研究，四分之一到二分之一的紅矮星也有宜居帶行星，盡管一些天文學家擔心來自這類恒星的輻射耀斑會毀滅任何試圖在那裏開始的生命。 另外，紅矮星不包括在對eta-Earth的新分析中。 這些紅矮星與尋找生命有關，因為開普勒已經將火炬傳遞給了2018年發射的“系外行星淩日探測衛星”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）。 該衛星將在整個天空中搜尋距離地球幾百光年以內的系外行星。 到目前為止，TESS已經發現了66顆新的系外行星，並對2000多顆候選行星進行了分類。 麻省理工學院（MIT）的天體物理學家，同時也是這次任務的首席研究員，George Ricker在一封電子郵件中表示，預計這些行星中大多數都是圍繞紅矮星運行的。 他說：“由於太陽附近約有四分之三的恒星是矮行星，這為TESS在未來十年留下了一個非常大的發現空間。 ”Batalha表示，未來的年輕科學家可能還會找到一種方法來提高eta-Earth的值，“在那之前，這將是事實上的標准。 ”在一個被稱為德雷克方程（Drake equation）的數學表達式中，eta-Earth的值是一個重要且迄今未知的因素。 天文學家用它來估計銀河系中可能存在多少科技文明，以及我們可能在某個宇宙日通過無線電或其他方式與之聯系。 話說回來，在外星岩石上找到哪怕是一種黏液黴菌，都將徹底改變生物學。 在未來半個世紀裏，這是一項有價值的議程，因為人類將繼續超越自身，進入宇宙，尋求終結我們在宇宙中的孤獨狀態。 來源：36氪審讀：譚錄崗
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開普勒-186f的概念圖。圖源：T. Pyle / NASA Ames / JPL-Caltech

開普勒-186f，第一顆在太陽以外恒星旁發現的適居帶內半徑與地球相若的系外行星，半徑稍大於地球，處於宜居區的邊緣。

十年前，一群天文學家著手調查一個令哲學家、科學家、牧師、天文學家、神秘主義者和其他人類嘲笑的最古老的問題：這個宇宙中還有多少個地球（如果有的話）？據我們所知，有多少遙遠的行星可以孕育生命？

他們的工具是開普勒飛船（Kepler spacecraft），它於2009年3月發射升空，執行為期3年半的任務，監測銀河系一片天空中的15萬顆恒星。它的目標是捕捉當一顆系外行星從它的主星前面時經過造成的恒星光線的微小減弱。

“它不是E.T.，但它是E.T.的家。”William Borucki在2009年3月發射任務開始時如是說道。William Borucki是美國宇航局（NASA）艾姆斯研究中心（Ames Research Center）退休的天文學家，他構想了這個項目，花了20年時間說服NASA完成它。

在2018年最終失效之前，他已經在這些恒星中發現了4000多個候選行星。到目前為止，沒有任何跡象表明有生命或居住（當然，它們離我們很遠，很難進行研究）。根據這一數據推斷，銀河系中有數十億顆系外行星。但其中有多少是潛在宜居的星球呢？

在對開普勒飛船搜集的數據進行了兩年的研究後，由研究中心的Steve Bryson領導的44名天文學家組成的研究小組得出了他們所說的確定答案（至少目前是這樣）。他們的論文已被《天文學雜志》（Astronomical Journal）接受發表。

開普勒飛船的正式目標是測量一個被稱為eta-Earth的數字，即在“適居帶”中有地球大小的物體繞其運行的類日恒星的比例。適居帶溫度足夠高，表面可以保留液態水。

研究小組計算出，在質量和亮度與太陽相似的恒星中，至少有三分之一，甚至可能高達90%的恒星都有像地球這樣的岩石存在於它們的宜居帶中，這個範圍反映了研究人員對他們各種方法和假設的信心。不管你怎麼看，這都不是一個小數目。

據NASA的估計，銀河系中至少有1000億顆恒星，其中約40億顆與太陽類似。如果這些恒星中只有7%有適合居住的行星——這是一個非常保守的估計——那麼僅在整個銀河系中就可能有多達3億顆適合居住的行星。

“我們的估計非常保守。”該報告的作者之一、位於馬裏蘭州Greenbelt的NASA戈達德太空飛行中心（Goddard Space Flight Center）的研究員Ravi Kumar Kopparap說，“因此，我們有意壓低了估計數字。”

2011年哈勃太空望遠鏡觀測到的銀河系中心。圖源：NASA

科學家們估計，僅在我們自己的星系中就有大約3億顆可能適合居住的行星。天文學家計算出，平均而言，最近的這類行星應該在20光年之外，而在離太陽30光年左右的範圍內應該有4個。

“從飛船發射到論文發表，花了11年時間，但就是這樣了。”加州大學聖克魯茲分校（University of California，Santa Cruz）的天文學家Natalie Batalha在一封充滿喜悅的電子郵件中說道，“這是我們一直在等待的科學結果——這就是2001年12月開普勒被選中進行飛行的原因。”

這一新結果意味著，該星系的“肥沃程度”至少是2013年開普勒數據首次分析中估計的兩倍。Andrew Howard、Erik Petigura和Geoffrey Marcy（他們不是開普勒項目組的成員）得出的結論是，大約五分之一的類日恒星，在其宜居帶中存在行星。

Batalha表示，這次的改進之一是增加了來自歐洲GAIA衛星的數據，該衛星已經測量了10億顆恒星的位置和亮度。這些知識使開普勒的科學家們能夠更精確地繪制出恒星的宜居帶。

另一個改進是處理統計數據的方法，盡管正如Batalha指出的那樣，“調查本身是不完整的。正如你不能給每個公民打電話做調研，你不可能觀測每一顆星星。”

在開普勒項目中，這種局限性很嚴重。開普勒的定位系統在開普勒完成其主要調查之前就失靈了。開普勒的主要調查限制它探測軌道周期小於700天的行星，這個周期大約是地球一年的兩倍。

在一封電子郵件中，哈佛-史密森天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的David Charbonneau表示，他對這個結果有點懷疑：“開普勒任務沒有發現很多真正的類似地球的行星（（可以說一個也沒有發現）），即與地球半徑相同、運行時間相同、因此接收到的光量相同的行星，也沒有發現類似太陽的恒星。”

正如Batalha當時所說的那樣：“我們還沒有任何候選行星在大小、軌道或恒星類型方面與地球完全相似。我們現在還不知道。因此，天文學家不得不從他們看到的行星上推斷數據。”

盡管這些觀察到的行星與地球大小相仿——半徑為地球的一半到1.5倍——而且據推測是岩石構成的，但沒有人知道它們的細節，也沒有人知道它們是否有生命存在於上面。他們離得太遠，不適合進一步研究。到目前為止，我們所知道的只有一顆行星，也就是我們自己的行星，存在生命。

但還有很多機會可以找到存在生命的星星。開普勒對eta-Earth的測量僅適用於像太陽這樣的恒星，但在銀河系中，這些恒星的數量遠遠超過了更小、更暗的恒星，即紅矮星。據現任職於加州大學伯克利分校（University of California，Berkeley）的Courtney Dressing的研究，四分之一到二分之一的紅矮星也有宜居帶行星，盡管一些天文學家擔心來自這類恒星的輻射耀斑會毀滅任何試圖在那裏開始的生命。另外，紅矮星不包括在對eta-Earth的新分析中。

這些紅矮星與尋找生命有關，因為開普勒已經將火炬傳遞給了2018年發射的“系外行星淩日探測衛星”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）。該衛星將在整個天空中搜尋距離地球幾百光年以內的系外行星。到目前為止，TESS已經發現了66顆新的系外行星，並對2000多顆候選行星進行了分類。

麻省理工學院（MIT）的天體物理學家，同時也是這次任務的首席研究員，George Ricker在一封電子郵件中表示，預計這些行星中大多數都是圍繞紅矮星運行的。他說：“由於太陽附近約有四分之三的恒星是矮行星，這為TESS在未來十年留下了一個非常大的發現空間。”

Batalha表示，未來的年輕科學家可能還會找到一種方法來提高eta-Earth的值，“在那之前，這將是事實上的標准。”

在一個被稱為德雷克方程（Drake equation）的數學表達式中，eta-Earth的值是一個重要且迄今未知的因素。天文學家用它來估計銀河系中可能存在多少科技文明，以及我們可能在某個宇宙日通過無線電或其他方式與之聯系。

話說回來，在外星岩石上找到哪怕是一種黏液黴菌，都將徹底改變生物學。在未來半個世紀裏，這是一項有價值的議程，因為人類將繼續超越自身，進入宇宙，尋求終結我們在宇宙中的孤獨狀態。

來源：36氪

審讀：譚錄崗