韦布望远镜发现山寨版地球？它真的宜居吗？

　　2023年1月9日，以雅各布·勒斯蒂格·耶格尔 与付广为 为共同第一作者的一篇论文宣布：
　　韦布空间望远镜 （James Webb Space Telescope，以下简称＂韦布＂） 确认了一颗新的太阳系外的行星（系外行星） ，并获得了它的透射光谱。[注1]
　　由于这颗行星的质量与半径接近地球的质量与半径 ，有些媒体甚至说韦布发现了宜居行星（即适宜于生命生存与演化的行星）。
　　那么，韦布是如何确认系外行星存在的呢？这颗行星真的宜居吗？如果有一天，我们要前往＂下一个地球＂，目的地应该设在哪里呢？
　　让我们跟随科学家们的研究，一步步寻找这些问题的答案。
　　01
　　TESS发现凌星信号
　　推测有系外行星存在
　　首先，请注意上文中我们说的是韦布＂确认＂了一颗系外行星，而不是＂发现＂，因为最早发现它的其实是凌星系外行星巡天卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS） 。
　　洁净间里的TESS。图片来源：NASA
　　根据系外行星的命名规则，某颗恒星的第一颗被确认的行星的编号是这颗恒星的编号之后加字母b。韦布确认的这颗系外行星的母恒星是LHS 475，所以这颗系外行星的编号是LHS 475b。
　　LHS 475是一颗红矮星，位于南极座方向，距离地球约41光年（1光年=9.46万亿千米）。
　　红矮星以及围绕它公转的一颗行星的艺术想象图。图片来源：National Science Foundation
　　红矮星属于主序星。什么是主序星？
　　简单说，主序星就是内部只发生氢聚变反应的恒星 。我们的太阳也是一颗主序星，它属于黄矮星。
　　红矮星与黄矮星中的＂红＂与＂黄＂分别反映了他们的大致颜色。红矮星的温度比黄矮星的温度低，因此显得红。也许比起红矮星、黄矮星，很多读者更加熟悉白矮星。不过需要注意的是，白矮星不是主序星。
　　理论上，红矮星是宇宙中最普遍存在的一类恒星。它们的质量、温度、半径与热亮度都低于太阳。此前的研究表明，LHS 475的质量约为太阳质量的0.26倍，半径约为太阳半径的0.28倍，表面温度约为3300 K（太阳的表面温度为5772 K），热亮度为太阳的0.009倍。
　　LHS 475b最早被推断存在，是因为TESS观测到LHS 475的亮度出现了45次周期性的凌星信号 。
　　什么是凌星信号？
　　这要从寻找系外行星的最重要的方法之一＂凌星法＂ 说起。
　　＂凌星＂指的是恒星发出的光被其他小得多的天体遮挡而导致的亮度变暗，太阳系内的金星与水星遮挡太阳而产生的＂金星凌日＂与＂水星凌日＂现象都属于凌星现象。
　　根据恒星亮度的周期性变暗，可以推断它们发生了凌星现象，从而推断它们有行星。
　　图：行星（Planet）遮挡恒星（Star）发出的部分光、导致凌星现象的示意图
　　TESS拥有4个口径为10厘米的小望远镜，再搭配4个CCD，总视场高达2300平方度，相当于约12100个满月在天空中占据的面积，超过全天区域的5%。
　　因此，它可以一次性观测海量的恒星。
　　此外，TESS在每个区域要持续观测至少27天。对于那些每隔几天就发生一次凌星现象的行星系统，它可以在一个观测周期内观测到几次完整的凌星过程。
　　当TESS的＂目光＂注视着LHS 475所在的区域时，它＂看到＂LHS 475每次凌星的持续时间约为40分钟，每次变暗的比例是千分之0.978。
　　如此规律的数据意味着，它可能被一颗行星周期性地遮挡。
　　因此，这颗可能围绕LHS 475的行星获得了一个临时编号TOI 910.01。后续的研究表明，如果TOI 910.01真的存在，它围绕母恒星公转一圈的时间为2.029天。
　　02
　　韦布接力
　　确认系外行星的身份
　　勒斯蒂格·耶格尔与付广为领衔的团队（以下简称＂LF团队＂） 于2022年8月31日与2022年9月4日用韦布的近红外光谱仪（Near-Infrared Spectrograph，NIRSpec） 两次观测了LHS 475的亮度演化，每次观测的时间持续4.4小时。
　　洁净间里的近红外光谱仪。图片来源：Astrium GmbH - Astrium GmbH
　　在获得光谱数据后，LF团队将不同波段的亮度合成为总亮度。
　　LF团队的两次观测确认LHS 475的亮度出现周期性的降低，每次变暗的比例是千分之1.06，与由TESS的数据得到的千分之0.978非常接近，这也侧面证实了TESS的灵敏度。
　　LF团队对数据的分析彻底排除了假阳性的可能性，从而确认有一颗行星周期性地遮挡了这颗恒星，它就是LHS 475b（此前的TOI 910.01）。
　　韦布获得的恒星LHS 475的亮度演化图
　　这是韦布确认的第一颗系外行星。
　　此前，韦布虽然拍摄过系外行星WASP-96b的光变曲线、光谱以及HIP 65426b的图像，但它们都在韦布观测之前被其他望远镜所确认。
　　当然，在进一步的研究确认之前，TESS的45次凌星观测已经足以让多数人相信这颗系外行星存在，因为黑子和耀斑等现象虽然会导致恒星整体亮度出现轻微变化，但却不可能如此有规律。
　　LHS 475照射LHS 475b的艺术想象图。图片来源：NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI)
　　根据数据，LF团队得到LHS 475b公转轨道的半长轴约为恒星半径的15.87倍。结合恒星半径值，这个值约等于0.02天文单位 （1天文单位=地球与太阳之间的平均距离=1.496亿千米） 。
　　这么近的距离会导致＂潮汐锁定＂现象发生，使行星的一面始终面对着恒星——因此始终是白天，另一面始终背对着恒星——因此始终是黑夜。
　　03
　　LHS 475b有宜居行星的潜力吗？
　　从温度到大气，否认三连
　　LF团队利用先前得到的光谱数据计算出LHS 475b 的直径约为地球直径的 99%，并假定其密度结构类似于地球，由此推断出它的质量约为地球质量的91%。
　　LHS 475b的艺术想象图。图片来源：NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)
　　乍一看，这颗星球好像有着和地球差不多的大小，这种相似会让一些人误以为LHS 475b是一颗宜居行星。
　　那么，它真的宜居吗？
　　事实上，行星宜居的要求有很多，最低的要求是：至少有部分区域不太冷也不太热，可以存在液态水 。
　　然而，还记得吗？前文提到，LHS 475b与母恒星的距离仅为0.02天文单位，因此它的整体平均温度比较高。
　　LF团队的计算表明，它的整体平均温度达到 586K（313摄氏度）；如果它没有大气或只有稀薄大气，那么它面向恒星的一面的温度达到为748K（475摄氏度）。显然，它的温度太高，并不适合生命存在。
　　除了温度太高之外，这颗行星的大气可能也不适应生命的生存与演化 。
　　根据韦布的近红外光谱仪的观测，LF团队得到了LHS 475的透射光谱，虽然得到的透射光谱精确度较低，没能显示出任何元素或分子的特征。
　　不过，对光谱数据的拟合依然排除了几种大气模型，特别是类似于地球的大气模型。他们的模型认为，即使这颗行星存在大气，其大气也只能是类似于火星/多云的金星/多雾的土卫六的大气。这样的大气显然是不宜居的。
　　韦布获得的恒星LHS 475b的透射光谱数据与不同大气模型对光谱数据的最佳拟合
　　所以，如果有人非要说LHS 475b是一颗宜居行星，它只能给出否认三连了。
　　事实上，这次通过韦布的观测只是进一步确认了一个大小类似于地球的＂类地行星＂（岩石行星的一类）的存在性，并利用获得的透射光谱限制了它的大气类型。
　　LF团队的论文也根本没有说他们找到了一颗宜居行星（因为它不是啊！）。他们强调的是，韦布得到的数据对LHS 475b的大气成分的限制以及韦布观测的敏锐性——对于低于百万分之50的亮度变化，韦布也足够敏感。
　　这并非是天文学家首次获得岩石行星的透射光谱，因为哈勃（Hubble） 空间望远镜与斯皮泽（Spitzer） 空间望远镜在此前已获得了一些岩石行星的透射光谱，并用这些光谱排除了一些大气模型。
　　04
　　如果要选出＂下一个地球＂
　　目前发现的哪颗行星最有戏？
　　说了这么多，好像都是让人失望的消息。不过我们大可不必悲观：
　　虽然LHS 475b不是一颗宜居行星，但天文学家此前已经确认了一些可能宜居的行星，比如TRAPPIST-1拥有的7颗行星中有4颗（TRAPPIST-1d、e、f与g） 可能处于宜居带，其中TRAPPIST-1d与TRAPPIST-1e的整体平均温度分别约为286.2K（13.1摄氏度） 与249.7K（−23.5摄氏度） ，它们的质量分别约为地球质量的0.4与0.7倍。
　　一些被确认的可能的宜居行星的艺术想象图的合集
　　在这些宜居行星中，离我们最近的是围绕着比邻星公转的行星＂比邻星b＂ （Proxima b） 。
　　比邻星也是一颗亮度相当低的红矮星，它与我们的距离仅为4.2光年。比邻星b与比邻星的距离为0.05天文单位，整体平均温度约为234K（−39摄氏度）。
　　比邻星b的艺术想象图（右），以及它与地球（左）的大小的比较。图片来源：PHL @ UPR Arecibo, NASA EPIC Team
　　对于科幻迷来说，比邻星可是鼎鼎大名。
　　小说《三体》中的＂三体人＂就被假定住在围绕比邻星的行星上面 。
　　虽然天文学家直到2016年才确认了这颗行星（比邻星b）的存在，但此前有不少小说都假设比邻星存在行星。2019年，天文学家又确认了比邻星的另外两颗行星，比邻星c与比邻星d。
　　不过，比邻星c的存在性于2022年受到了质疑。
　　比邻星与附近的南门二（半人马座α星）双星构成了三星系统。小说《三体》假定比邻星的行星在三星系统中不稳定，因此出现＂恒纪元＂与＂乱纪元＂的交替。
　　这样的场景真的会发生吗？实际上，南门二与比邻星的距离足够远，因此对整个比邻星系统都没有什么干扰，比邻星b上面并不会出现《三体》中想象的＂乱纪元＂。
　　就目前的情况来看，如果有一天，我们的后代要坐飞船移居到太阳系外的宜居行星，比邻星b应当是首选。
　　换句话说，如果我们要找太阳系外的宜居行星，那我们得找想象中的＂三体人＂要地盘。
　　比邻星b地形的艺术想象图。图中也显示了在上面看到的比邻星与更远的南门二双星（比邻星右上方的两个点）
　　在小说中，＂三体人＂的科技水平可以碾压地球人；但在现实中，那里可能还没演化出任何高级生命，生活在比邻星b上的生命可能还没水熊虫高级。
　　如果那里真有文明高度远超地球文明的外星生命，他们可以用星冕仪轻而易举地屏蔽太阳光，从而拍摄到地球的图像，根本不用等叶文洁给他们发送地球的坐标才开始行动。
　　所以，笔者认为，将来如果我们要去往太阳系外的宜居行星，大可以放心地去比邻星b开荒，再造一个家园。
　　当然，这些还只是对遥远的未来的畅想。
　　比邻星虽然相对近，但以当前的科技水平，人类发射出去的飞船也得飞行几万年才可以到达那里；在此期间，人类要在飞船上繁衍上千代。在可见的未来，人类还没有办法实现这样的飞行。
　　因此，即使比邻星b确实宜居，我们短期内也难以企及。正因为如此，我们更要珍惜、爱护这颗宝贵而可爱的蓝色星球 ——它是我们当下唯一宜居的家园。[注2]
　　注释：
　　[注1] 如果行星有大气，那么穿过行星大气后的恒星光，和未经遮挡的恒星光之间肯定是不同的，通过比较二者的差异，可以得到透射光谱，进一步研究透射光谱，就可能判定出行星大气中包含的元素或分子的种类。
　　[注2] 比邻星b与其他同类行星是可能宜居行星，但并不是一定宜居的行星。地球是目前唯一确定的宜居行星。
　　出品｜科普中国
　　作者｜王善钦
　　监制｜中国科普博览