太陽系外還有別的“地球”嗎？天文學家找到百年前答案的新線索

時間＼2017-04-23

在所有科學家希望回答的問題中，很少有能像“在我們的地球之外，是否有其他有生命的世界？如果是，有像人類一樣擁有智慧的外星生物麼？”一樣激動人心的。然而，我們如何能找到圍繞太陽以外恒星運行的、類似地球的岩石世界呢？引人注目地，

關於存在這種世界的天文學證據可以追溯到一百年前。該證據涉及對一種叫“白矮”星的恒星的觀測，白矮星是我們的太陽在50億年後將會成為的恒星類型。白矮星研究表明，成分類似地球的岩石世界在我們的銀河系中很常見。因此，找到適合生命存在的岩態行星的前景是光明的。

“給少年的科學前沿”系列（7）

撰文本傑明·祖克曼（加州大學洛杉磯分校物理和天文系）

原文編輯艾梅·珍妮特·亨尼西（美國亞利桑那大學）

翻譯林一平

審校苟利軍（中國科學院國家天文臺）

編輯韓琨

小黑板

系外行星：所有圍繞太陽以外恒星運轉的行星都叫做（太陽）系外行星。

白矮星：一種體積遠小於我們的太陽、跟地球差不多大的恒星。幾乎所有正常恒星最後都會變成白矮星，對於我們的太陽，這種變化將會發生在50億年之後。

光譜儀：一種將光分解成彩虹一樣的若干顏色的儀器。每種顏色對應於某種波長的光，因為每種元素只發射和吸收對應於該元素的特定波長的光，光譜儀可以測量產生光的物質中存在哪些元素。

隕石：一種來自外太空的石頭或者金屬物體，

在穿越地球大氣的過程中倖存下來，擊中地球的陸地或者水域表面。隕石起源於小行星之間的碰撞。

在所有科學家希望回答的問題中，很少有問題能像“在我們的地球之外，是否有其他有生命的世界？如果是，有像人類一樣擁有智慧的外星生物嗎？”一樣激動人心。宇宙中可能存在其他生命，是我八、九歲那會開始對天文著迷的原因之一。像很多孩子一樣，

我在遊覽本地（美國紐約市）天文館的過程中獲得良多，也癡迷於科幻電視和電影。我仍然記得我的英雄閃電戈登和紮爾科夫醫生與殘忍的銘在銘的母星蒙戈的大戰。（譯者注：閃電戈登是美國上世紀三十年代的一個太空冒險漫畫故事。）

六十年後的今天，我作為一名天文學家，已經花費幾乎整個職業生涯的時間去調查宇宙中生命問題的相關現象。我最近的研究聚焦於行星系統的起源和演化，

包括我們最熟悉的行星系統——太陽系。大部分天文學家預想生命只能起源於行星，也許還是大小、組成（構成行星的材料）和溫度類似地球的行星。地球、金星、火星和水星被稱為“岩態”行星，因為它們幾乎全部由固態物質構成，只有少量的氣態物質（比如我們大氣中的氣體）。

本文的主要目的，是描述天文學家現在如何可以第一次測量構成圍繞太陽以外其他恒星運行的岩石世界的“基本構成單元”成分。如果其成分與地球類似，那就可以合理地推斷這些世界也許孕育著外星生命，也許還是與地球生命差別不大的生命形式。

在我年輕的時候，我們還不知道太陽系外存在任何別的行星，天文學家們討論了如何尋找“系外”行星的技術。一種很顯然的尋找系外行星的辦法就是“直接成像”，也就是可以看到和拍攝圍著其他恒星轉的行星的照片，就像在夜空中可以看到金星和木星一樣，用合適的儀器可以拍攝這些系外行星的照片（見圖1）。當無法直接拍攝系外行星的照片時，天文學家可以改換其他技術，即通過行星對其繞轉恒星的影響來揭示行星的存在。比如說，假如從地球上的望遠鏡看過去，行星正好從其恒星的前方經過，行星會擋住一小部分恒星光芒，這種變暗是可以測量的。在我們太陽系中，偶爾也會有從地球看過去金星從太陽前方經過的現象。2004年和2012年就發生了兩次，成千上萬的人們借助太陽望遠鏡目睹了這一現象（見圖2）。（譯者注：請勿使用任何望遠鏡直接觀測太陽，請在專家指導下使用合適的濾光器材，以免造成嚴重傷害。）

圖1. 亮星HR 8799和它已知的四顆巨型行星的圖像。四顆行星分別為恒星右側、上方和下方的亮點、以及左上角的那個較暗的點。恒星其實比行星亮很多很多，但這張圖裡恒星的光芒被一個恰當放置于恒星前方的遮蓋物擋住了。因為這種遮擋並不是完美的，在圖片中心可以看到殘餘的星光從遮蓋物邊緣透出。HR 8799以及它的四顆比木星還重的行星距離地球約130光年。（加拿大國家研究院、C. 馬魯瓦、凱克天文臺）（AU=天文單位）

圖2. 金星從太陽前方穿越，2012年拍攝于夏威夷哈雷安卡拉。金星是太陽圓面上黑色的圓點，其他不那麼明顯的特徵是太陽黑子和太陽高能活動增強的區域。（由克萊中心天文臺的羅恩·丹托魏特茨和威廉學院-霍普金斯天文臺的傑伊·巴薩喬夫拍攝）

目前天文學家正在使用的、用來揭示地外岩石世界組成的最佳技術，不是較老的傳統技術，而是包含了新東西。本文將描述這一使天文學家感到非常驚奇的新技術。通過分析來自恒星的光，我們可以學到更多有關這顆恒星是由什麼構成、是否有行星圍著它轉動的知識。最大的驚奇也許是，一百年前，在天文學家懂得如何解釋星光之前，這種技術就產生了首批關於系外行星系統存在的證據[1]。該行星系統圍繞著一顆叫做范馬南2的恒星，該恒星得名於發現它的天文學家阿德里安·范·馬南（AdriaanVan Maanen）。天文學家花了近百年的時間才有足夠的天文和技術知識來理解這一證據，並認識到范馬南2被一個行星系統所環繞[2]。

類似於活著的生物，恒星也有誕生、年老和死亡。我們的太陽正處於中年時期。它已經存在了46億年，按照物理計算，它還會繼續存在同樣的時間，隨後成為白矮星。現在的太陽☆禁☆具有30萬個地球的品質，和100倍於地球的直徑（直徑是指通過某顆行星或恒星中心並向外延伸至表面的線段的長度）。太陽成為白矮星之後將仍有現在一半的品質，但它會變得很小，只有地球那麼大（這就是為何這類恒星被稱為“矮”星）。因為白矮星體積跟地球差不多大，品質卻比地球大10萬倍，它們非常緻密且有強大的引力。如果你現在體重是100磅（約45公斤，譯者注），在一顆典型的白矮星上，你的重量將會超過1000萬磅。銀河系中有很大一部分恒星將會以白矮星的形式度過晚年，范馬南2就是一顆白矮星。

引力是自然界中的基本相互作用力之一。太陽系中的所有物體，太陽、行星、小行星都能感受到太陽系中其他物體的引力（拉扯）。如果白矮星由行星和類似我們太陽系小行星那樣的小天體所圍繞，那麼行星的引力拉扯可能會改變小行星軌道，使得小行星非常靠近白矮星。在其強大引力的作用下，白矮星會將小行星撕扯成小塊的岩石殘骸。這些殘骸先是進入環繞白矮星運行的軌道，形成類似土星環那樣的環狀結構（見圖3）。一段時間之後，這些繞轉的殘骸將會墜入白矮星。

圖3. 繞白矮星運行的行星系統的藝術概念圖。白矮星為紅色圓環中心的白點，在前景中我們可以看到岩態小行星。如果這種小行星的軌道被行星引力改變的足夠多，那麼該小行星可能非常接近白矮星，並被撕裂成近距離繞轉的岩態碎片。紅色圓環代表已經被白矮星強大引力撕碎的早期小行星的岩態碎片。

我們在自然界見到的每一件東西，都是由叫做化學元素的92種獨特的原子“積木”搭建起來的。一種元素的證認和命名依據於其原子核心也就是原子核的大小。氫是最簡單和最輕的元素，鈾是自然界中發現的最重的元素。使用一種可以將白光分解為彩虹一樣的若干顏色的、叫做光譜儀的儀器，天文學家可以確定墜入白矮星的岩石殘骸所來自的小行星由哪些元素組成。因此，找到圍繞白矮星運行的岩石天體的化學組成是可能的。行星科學家相信我們太陽系中的水星、金星、地球、火星等岩態行星形成於46億年前，是由大量類似現在在火星和木星軌道間運行的小行星的小天體彙集而成的。我們現在通過墜入地球的隕石來得到這些小行星的直接樣品，隕石是很早以前由遭到碰撞的小行星產生的小碎片。

因此，通過將來自太陽系的火星、地球、月球和小行星的元素組成，與在很多白矮星大氣中看到的殘骸的組成相比較，天文學家現在可以回答“圍繞太陽外其他恒星運行的岩石世界是否有類似於我們地球的化學組成，或者有非常不同的化學組成？”這一問題了。如果化學組成非常類似或者非常不同，那麼這會是一個支持或者反對其他岩態系外行星上存在生命的可能性的重要的證據。

地球上含量最豐富的四種元素是鐵、鎂、氧、矽。天文學家使用分光鏡對白矮星大氣進行了研究，發現這四種元素同樣主導了岩態系外行星的化學組成[3]。因此天文學家頭一次可以確信地說，白矮星研究證明了大部分圍繞恒星運行的岩石世界的化學組成類似於地球的整體化學組成。更詳細的理解需要更進一步的研究，很可能需要使用位於行星際空間的望遠鏡。

在我們的行星上，組成的元素並不是均勻混合的。相反地，地球上大部分鐵元素都深埋於地球的中心也就是地核中；位於地核上方的地幔則富含鎂元素；最外層的地殼含有豐富的矽和鋁。行星和較大的小行星在不同深度有不同化學組成的現象被稱為“層化”。

通過光譜儀測量某些白矮星大氣中殘骸的化學組成，可以得出關於曾經環繞該恒星運行的岩石天體的結構細節。比如說，一顆名為NLTT 43806的白矮星大氣中的物質含有格外多的鋁和相對比較少的鐵（NLTT 43806是名為NLTT的星表中的一顆恒星，NLTT星表是由天文學家威廉·魯坦在二十世紀中葉編撰的）。我們可以將NLTT 43806大氣中九種元素的含量與太陽系中包括隕石、地球上和月球表面的物質進行比較，通過這種方式，天文學家發現NLTT 43806中的化學組成類似於地殼和上層地幔的物質的混合[4]。這一結果可以由一顆曾經或者正在繞NLTT 43806轉動的層化的地外行星來解釋，這顆行星具有地殼、地幔和地核。

如果這顆行星遭受了強烈但並不是正面的碰撞，那麼這種碰撞會剝離層化行星的部分外層結構。如果碰撞產生的岩石殘骸隨後落入NLTT 43806，那就可以解釋在這顆白矮星大氣中測量到的元素比例。

回到范·馬南百年前的發現，多年後的今天，我們終於弄明白了他的光譜儀當年在范馬南2上探測到的鐵、鎂、鈣等元素，是來自之前繞該白矮星運行的一顆或者多顆破裂的岩態小行星或者行星。最近關於NLTT 43806等白矮星的研究證明過去十餘年天文學家對岩態系外行星的理解有了長足進展。我們現在知道這種世界的化學組成與地球類似，而且也有層化結構。天文學家下一步要做的，就是確定這些行星是否孕育了外星生命形式。

參考文獻

[1] van Maanen, A. 1917. Two faint stars with large proper motion. Publ. Astron. Soc. Pac. 29:258–9. doi: 10.1086/122654

[2] Zuckerman, B. 2015. Recognition of the first observational evidence of an extrasolar planetary system. In 19th European Workshop on White Dwarfs, Proceedings of a conference held at the Université de Montréal, Montréal, Canada 11-15 August 2014. ASP Conference Series. Vol. 493. eds. P. Dufour, P. Bergeron and G. Fontaine. San Francisco: Astronomical Society of the Pacific. p. 291.

[3] Jura, M., and Young, E. 2014. Extrasolar cosmochemistry. Annu. Rev. Earth Planet Sci. 42:45–67. doi: 10.1146/annurev-earth-060313-054740

[4] Zuckerman, B., Koester, D., Dufour, P., Melis, C., Klein, B., and Jura, M. 2011. An aluminum/calcium-rich, iron-poor, white dwarf star: evidence for an extrasolar planetary lithosphere? Astrophys. J. 739:101–10. doi: 10.1088/0004-637X/739/2/101

審稿人

來自拉普瓦伊高中14-17歲的學生：拉普瓦伊高中位於美國愛達荷州拉普瓦伊，靠近內斯·皮爾斯保留地。九名泰咪教堂數學班的內斯·皮爾斯學生審閱了本文。

本文譯自Frontiers for Young Minds網站。

原文標題：Are There Other Earths Out There? Astronomers’ First Clues to an Answer Date Back 100 Years

原文連結：https://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00006