 撰文 | 郑永春（中国科学院国家天文台、中国科学院青年创新促进会） 哥伦比亚大学天体生物学家Scharf说， “这是一个震撼人类种族心理的时刻！” “海内存知己，天涯若比邻。” 在我们的太阳系附近，就有一颗离我们最近的恒星——比邻星，与我们的地球之间仅为4.23光年。虽然经过NASA过去几年的新闻轰炸，发现新的系外行星早已经不是什么新鲜事了，“第二个地球”的说法也已经被滥用。但在距离我们那么近的地方，发现了一颗和地球差不多大小的星球，仍然让人为之振奋。天文学家在比邻星附近到底发现了什么？他们是怎么发现的？人类有生之年能否抵达那里？看看离地球最近的系外行星是什么样的？春哥知道你想了解什么，尽己所能，奋笔疾书，为你逐一解读。 热闹非凡的巴西里约奥运会刚刚落幕，不甘寂寞的天文界立马爆出大新闻。8月24日晚（欧洲中部时间），位于智利的欧洲南方天文台（European SouthernObservatory, ESO）召开新闻发布会，宣布在离太阳系最近的恒星——比邻星周围，发现了一颗位于宜居带内的行星！相关论文今天在Nature杂志线上发表，说明这一发现并非耸人听闻，而是通过了严格的同行评审。  欧洲南方天文台新闻发布会现场  欧洲南方天文台官方网站发布头条新闻，标题是：最近恒星周围的宜居带发现行星。1发现了什么 Nature杂志新闻宣称，“这是天文学的美梦成真！也将是未来星际航行的锁定目标！” 天文学家在太阳系外发现了一颗新行星，它被命名为比邻星b（Proxima b），距离它的母星比邻星只有700万千米（0.047天文单位）。而太阳系最靠近太阳系的行星——水星，到太阳距离为57,91万千米（0.38天文单位）。这颗新行星到母星的距离仅为水星到太阳距离的12%，非常靠近其母星。 新行星绕比邻星一圈只需要11.2天，而水星绕太阳一圈需要88天，地球绕太阳一圈需要365天。 虽然离母星的距离非常近，但由于比邻星是一颗红矮星，质量仅为太阳的0.123倍，光度仅为太阳的1.55‰，表面温度约为2800K，所以比邻星b仍处于母星的“宜居带”中，表面温度可能处于液态水可以存在的范围。 比邻星是南门二（半人马座α）三合星系统中的三颗恒星之一。相较于南门二双星来说，比邻星距离地球仅4.23光年，更靠近地球，是真正的太阳系隔壁邻居。所以，本次发现相当于邻居家发现了新成员，自然引起了全球媒体的广泛关注。  比邻星比南门二双星这两颗恒星更靠近太阳。2怎么发现的 《科学美国人》杂志宣布，“人类发现可能适宜生命的行星就在隔壁，这将重塑科学历史以及人类星际航行的梦想！” 近几年，天文学家从未停止过对比邻星（包括南门二双星）周围行星的探测， 今年上半年，欧南台位于智利拉西拉天文台（La Silla）3.6米口径HARPS光谱仪（高精度径向速度行星搜索器，High Accuracy Radial velocity Planet Searcher，简称HARPS）对比邻星进行了细致观测。由于比邻星亮度非常低，视星等只有11等，比相邻的南门二暗几万倍。比邻星的亮度在地球上完全无法靠肉眼观察，即使通过地面望远镜要观测也并不容易。 天文学家是如何发现这颗黯淡恒星周围的行星的呢？我们知道，当一颗行星绕其恒星运转时，行星的引力作用会使这颗恒星的视向速度发生微弱变化。这一变化反映在恒星光谱的吸收线上，将产生非常小的多普勒效应。为探测这种特别微小的多普勒位移，科学家发明了HARPS，能探测到比人类步行速度还慢（小于每秒1米）的多普勒位移。HARPS光谱仪成功捕获到比邻星存在非常微小的前后摆动。所谓视向速度，及我们观察时看到恒星在靠近地球方向和远离地球方向的速度， 有趣的是，早在2013年，欧洲南方天文台和美国的部分天文望远镜设备就已经发现了比邻星b的蛛丝马迹，但观测结果还不是很有说服力。赫特福德大学（University of Hertfordshire）的青年天文学家 Tuomi 和 Anglada-Escude 首次注意到这颗行星的痕迹。但由于资历较浅，他们很难申请到望远镜的使用时间，只能将科研精力放到他人已经发表的观测数据上。  Tuomi和Anglada-Escude根据2000-2008年收集到的观测数据显示，比邻星的视向速度每隔11.2天就有一个小摆动，幅度仅为1.4m/s（如上图）。虽然，这一摆动很有可能是环绕比邻星运行的行星的引力干扰导致的。但由于观测数据不够充分，他们撰写的科研论文被拒绝接收。 今年1月开始，情况出现好转，Anglada-Escude等说服欧洲南方天文台，每天给他们20分钟的观测时间，持续观测60天。由于比邻星是一颗黯淡的红矮星，所以这个新的观测项目被称为“黯淡红点”计划（Pale Red Dot）。他们把最新观测的数据、以及欧洲南方天文台及其他天文台的早期观测数据相结合，得到了非常清晰、远超噪音水平的信号——他们在比邻星周围发现了一颗新行星。 “在60个不眠之夜里，我每天都会仔细检查数据，” Anglada-Escude说，“前10天的观测数据似乎充满希望，前20天的观测数据则符合我们的预期，到前30天的时候，一切看起来已经确凿无疑！所以我们马上动手写论文。”8月24日晚上，他们的论文在Nature杂志在线发现，并正式向公众宣布这一新发现。 观测数据显示，比邻星有时以5千米/小时的速度靠近地球，有时候又以相同速度远离地球。这个微小的变化正好处于HARPS的探测能力内，天文学家由此推算出视向速度的重复周期为11.2天。再进一步分析，推算出造成这种观测结果的原因，可能是比邻星周围存在一颗约为1.27倍地球质量的行星。 当然，研究团队仍然十分谨慎，利用其它望远镜设备逐一排除其他可能性。比如，相较于太阳而言，红矮星本身的质量很小，光度也很弱，会表现出类似行星的特征。 论文作者之一，卡耐基研究所的天文学家Butler说，“在不长的时间内，我们将星体视向速度的测量精度从300m/s提高到惊人的1m/s，这使我们未来将发现大量系外行星！”Bulter指出，“这也说明，适宜生命的类地行星并不罕见，未来可以通过大型地面或空间望远镜直接观测。” 这个发现与今年人类在两处LIGO设施首次探测到引力波信号有异曲同工之妙，“大自然小心翼翼地掩盖着自己的秘密，”Butler说，“但你不会碰巧在两个不同仪器上发现相互吻合的数据！”3难道又是第二个地球 论文作者、英国Queen Mary大学天文学家Anglada-Escude说，“许多系外行星已经被发现，更多的行星也会被不断发现”，“但是在距离我们最近的地方发现类地行星，哇，这对于我们而言是平生仅此一次的难忘经历！” 研究团队发表了两篇论文，讨论比邻星b的宜居性及其气候。他们发现，目前这颗星球上在特定条件下可能存在液态水，在阳光最充足的地区，液态水或许能存在于地表。比如，类似月球以同一面朝向地球，这颗新行星同步自转时朝向比邻星的那一面，或像水星与太阳那样以3:2共振时的热带地区。 比邻星b的自转较特，加之受恒星辐射和行星形成历史的影响，比邻星b上的气候将完全不同于地球。这颗新行星上不存在四季变化。  比邻星b的约为地球的1.3倍，很可能是一颗岩石星球，如上图所示，估计形成于49亿年前。比邻星b上收到的热辐射强度是地球的65%，位于比邻星的宜居带内，如下图所示。表面温度约为零下40摄氏度，相当于地球上的南极。这颗新行星有可能存在大气层和液态水，但还没有任何证据支持这一论断。 由于距离比邻星实在太近了，新行星上将遭受到非常强烈的紫外线和X射线照射，比地球周围的太空环境更为恶劣，也很难适合生命生存。4人类有生之年能去成吗？ 论文作者之一，卡耐基研究所的天文学家Butler说，“这一发现是人类过去30年天文探索不懈努力的巅峰之作”。 系外行星观测的进展表明，银河系中的每一颗恒星，都可能有自己的行星。人们甚至估算，每一颗冷星（cool star）周围都有20%的概率存在一颗适宜生命生存的类地行星。这个概率已经相当之高。比邻星周围发现新行星的事实告诉我们，太阳系之外还有许多我们的兄弟姐妹，在等待着我们去发现。 在过去几个世纪里，人类观测到的宇宙图景不断被刷新，不断被颠覆。当我们的目光观测到越来越深远、越来越黯淡的宇宙，我们的地球、人类和太阳系本身都显得越来越渺小。在大多数人被琐事缠身的时候，我们也需要驻足远望，低头沉思，浩瀚的宇宙中是否有我们的同类，抑或整个宇宙中只有人类孤独终老？ 比邻星b上的环境是否适宜生命还有很多疑问。Anglada-Escude说，下一步的主要工作，就是要在比邻星b上寻找生命存在的可能性。 发现离太阳系最近的类地行星，不禁让春哥想起了霍金等前不久刚刚提出的突破摄星计划。由俄罗斯投资大亨尤里·米尔纳等金主站台的这一大胆计划，目标正是比邻星所在的半人马座阿尔法星。 2016年4月13日上午8时，著名天体物理学家史蒂芬·霍金在纽约更新了刚开张的新浪个人微博，宣布将启动一个超级科研项目——“突破摄星”计划：建造一个激光推进的微型星际飞行器，预计最快用20年抵达离太阳系最近的恒星系统——半人马座阿尔法星。 “突破摄星”计划由美国宇航局（NASA）艾姆斯研究中心前总监沃尔登带领，背后的金主是俄罗斯互联网投资人尤里·米尔纳。除霍金外，Facebook创始人马克·扎克伯格也参与了该计划的监督委员会。目前，该计划已经获得高达1亿美元的经费支持。 计划中提出的“纳米飞行器”，可以在短短几分钟内加速到光速的五分之一，即每秒钟飞行六万公里。相比之下，人类历史上飞行速度最快的航天器——“新视野号”在飞越木星加速后的峰值速度也仅每秒钟飞行20公里（每小时7.5万公里），以这一速度飞到冥王星就用了10年时间，如果以这一速度飞到比邻星，则至少需要一万四千年以上，显然是人类很难接受的。 因此，米尔纳和霍金希望研制速度为0.2倍光速的“纳米飞行器”，用21年就可以飞到4.22光年之外的比邻星。目标是希望快速抵达离我们最近的另一个恒星系统，去探索那颗恒星周围的行星，在带去人类信息的同时，也把那里的信息带回地球。 “突破摄星”计划尽管非常激动人心，但目前只能算是一项基础研究项目，在理论上是可行的，但距离真正的工程实现，还需要相当漫长的时间。人类航天器在我们的有生之年，还基本上不可能飞出太阳系，当然也不可能飞到这颗新行星上。 不管怎样，在离我们最近的恒星周围发现了一个新成员，相当于我们的隔壁邻居家来了一位不速之客，素来少人问津的庭院一下子热闹起来。当然，喧嚣之后，一切将重归宁静。 太空，依然很空。 |
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