2014年4月17日
地球的“表兄弟”——“开普勒-186f”

2014年4月17日，美国国家航空航天局（NASA）加利福尼亚州艾姆斯研究中心发布了一条令人振奋的消息，开普勒太空望远镜在太阳系外的“适宜居住带”发现了一颗地球大小的行星，它的半径比地球大10%，代号为“开普勒-186f”。消息一经公布，立刻引起科学界、公众和媒体的极大兴趣，按照艾姆斯研究中心的托马斯·巴克利教授的说法，人们称它为地球的“表兄弟”。图1是开普勒-186f与地球相比的图像，左侧为开普勒-186f，右侧为地球。

寻找太阳系外适于人类居住的行星已经成为近几十年来的热门话题。这不只是科学家们的事，它关系到人类的长期生存，生命的延续，因而更引起公众的兴趣。但是，在茫茫天海中，探索到这样一颗理想的行星绝非易事。

虽然可以肯定，在宇宙中，地球并不是独一无二的，但是人们已经清醒地看到，“适合人类生存”这一条件是非常苛刻的。首先，这颗行星不能离母恒星太近或太远，这个要求表面看来不特殊，却非常苛刻，苛刻到什么地步呢？以地球为例，1978年，加州理工学院的天文学家迈克尔·布朗曾做过一个测算，结果令人大吃一惊。按照他的测算结果，地球只要离太阳再近1%或再远5%的距离，就不再适于人类居住。为什么限制这么窄呢？无须远看，只要看看地球的邻居——金星，它的大小和结构很像地球，在形成之初也可能有海洋，很不幸，它离太阳比地球近2500万千米，这在天文学中，仅是一个很小的数字，太阳的辐射到达那里只早了两分钟，比地球只热那么几摄氏度，就造成了灾难：氢原子逸入太空，氧原子与碳在大气中形成厚厚一层温室气体——一氧化碳，致使表面温度升高到470摄氏度，水沸腾，水分蒸发殆尽，大气压是地球的90倍，在那里不仅铅要融化，人也要窒息而死。因此，只要地球再向太阳移动2光分就造成如此大的灾难。想到这里，不禁让活在地球上的人庆幸不已。

除了不能太热，也不能太冷，即使有水，若这颗行星是个永远不化的大冰坨，人类也将无法在其上耕种养殖；这颗行星还不能太小，如果太小，自身引力不够，不能维系足够的大气层；它也不能太大，否则自身引力导致大气太厚，压强随之太大，也不适合人类居住。除此以外，还必须找到类似的“太阳”，即提供足够照明和热量的母恒星。

处于适宜居住带中的行星数量还不能太多或太挤。2011年2月，通过观测，天文学家就发现了一个非常拥挤的行星系统，6颗行星都比地球大，却全部挤在像金星离太阳的距离内，就像居住在拥挤的“大杂院”里一样。在这样一个狭小的空间内，行星间彼此干扰会引起诸如进动、摇摆、轨道漂移，甚至相互碰撞等现象，由此招致不少的麻烦和巨大隐患。当然，这颗行星必须有充足的水，还必须有岩石的壳，在壳的内部还必须有沸腾流动的岩浆，使活跃的内部不断有大量气体喷出，以补充和循环大气层，并帮助海洋不断地把剩余碳或盐分储存在地壳之中。如此之多的苛刻要求条件，不禁使我们惊讶，这些条件不就是按照地球“量体定制”的吗？到哪里，又该如何找到像地球这样的行星呢？

完成搜星计划的是神奇的开普勒太空望远镜（以下简称开普勒），如图2所示。它是一架工作在可见光波段的折射式望远镜，物镜和目镜都是凸透镜，因此成像是倒立的，但这并不妨碍它对天象的观测结果。开普勒于2003年3月6日升空，要执行的任务包括：寻找太阳系外的类太阳系，判断在该系内的行星数量、分布及适宜居住带；记录太阳系外的行星，确定其轨道形状、大小、质量及表面情况；确定系外适宜居住带行星的备选数及其分布；在类太阳系中，确定如地球大小且处于适宜居住带内的行星等（参见本书3月7日“2009年开普勒太空望远镜计划”）。

开普勒要执行的任务艰巨而庞杂，背负繁重使命的开普勒跟随地球环绕着太阳公转。这样做有两个好处：一是免受地球的遮挡，能有更多的机会向外太空探察；二是它的光度计可以永远背朝地球，免受地球漫反射光的干扰。在开普勒升空之后的3年半时间内，它创下了几个纪录：它是最早升空执行探索系外行星的最大望远镜；最早发现系外行星；最先发现小质量、小半径的行星；最早发现首例多行星类太阳系；最先发现环绕两个恒星运行的行星系统；最早发现首例适宜居住带内的行星；更重要的是最早发现在类太阳系适宜居住带内，如地球大小的行星开普勒-186f，可谓功勋卓著。

上述的最后一项成果是至关重要的，它启示人们，可能还会有像这样符合人类居住的、条件苛刻的行星，因为开普勒所搜寻的15万颗恒星和两千多颗备选行星的范围，只相当于整个天穹的一千四百分之一。为此，在开普勒3年半计划完成之后，美国国家航空航天局又决定延长其服务期4年，即延迟至2016年。图3为开普勒探索银河系图，箭头所指为开普勒太空望远镜。

行星本身并不发光，在黑暗的背景下，系外行星很难被看到，开普勒又工作在可见波段上，在茫茫的黑夜中，它是如何找到行星的呢？科学家们想出来的办法真是巧妙得很，其实，在近4年的巡天历程中，开普勒并没有直接搜寻行星，因为那是看不到的。它是始终盯着系外发光的恒星，借助一种“凌日”现象找到行星的，如图4所示。

行星环绕恒星运动，当它经过恒星时，会在恒星上落下了一个小黑影，这个现象就是行星的“凌日”现象。“凌日”现象可以给人们带来很多的信息。首先，凌日发生时，所接收到的恒星光度会因受遮挡而稍微减弱，行星越大，光度减弱得越多。根据凌日时光度减弱的多少，就可以判断出行星的大小。根据连续两次光度减弱相同的凌日时间，还可以判断出行星公转的周期。一旦确定了公转周期，根据开普勒定律，就可以计算出行星运行的轨道半径，由此测算出它表面的温度、质量及密度。再通过它的运行半径和表面温度，可以判断它是否处于“适宜居住带”之中，这个办法不是很巧妙吗？

办法巧妙固然好，所依赖仪器设备必须精良。开普勒光度计的灵敏度极高，当它盯着恒星时，如果光度有万分之一的变化，它也能侦测得出来。这个微小的变化犹如1千米开外，在一辆夜晚行驶的汽车的车灯前，有一只小虫飞过，人眼也能把车灯光度的变化辨别出来一样。开普勒不仅能辨别出光度的微小差异，还能给出精确的测定值。

借助对凌日的观测结果，开普勒研究团队首先把天琴座和天鹅座收集来的信息进行测算，由此找到156000颗恒星的光度变化。到2011年为止，从中确认2700颗候选行星，它们环绕在2036颗恒星周围，其中200多颗与地球大小相似，50余颗处于适宜居住带内，更为重要的是，其中有4颗大小在地球的2.5倍以内，而且处于适宜居住带内。

最令人鼓舞的是，开普勒花了整整4年多的时间，终于如大海捞针般地在15万颗星中，在距地球500光年的天鹅座中发现了一颗恒星。它比太阳略小，颜色发红，凌日发生时，在这颗恒星上，平均每百万个光子中有400个光子被遮挡，这种现象每130天重复一次。由此证明，这颗恒星拥有一颗行星，它的公转周期是130天。经过计算，这颗代号“开普勒-186f”的行星与地球极为相似，半径仅比地球大10%，它处于适宜居住带，既不太热，也不太冷，有水和适量的大气，与恒星的距离也与地球相似。人们相信，在那里有与地球相似的生物化学反应条件，甚至有可能已经存在较长时间的生物进化历史，值得进一步探索。图5是根据所研究的结果，绘制出来站在“开普勒-186f”上的情景。

搜寻适合生命栖息的行星，听起来新奇而有趣，实际上这是一个相当繁复而枯燥的工作。数年来，天文学家们不停地盯着十几万颗星的数据，大量的计算、分析、测量和筛选，无数次的希望和失望，最终只能确定出很少的行星供选择，但它们给人以鼓舞，带给人希望，既表明这种探索方式正确，又说明未来的路还很漫长。

“开普勒-186f”是一个具有重要历史意义的发现，人们完全有信心认为，这样的行星并不是最后一个。发布这一消息的艾姆斯研究中心的托马斯·巴克利教授（图6）说：“可以肯定地说，这是我们的一个胜利。这是一个里程碑的事件，虽然它算不上是地球的双生子，但起码可以算是地球的表兄弟。”

关键词：开普勒空间望远镜，“开普勒-186f”，Kepler space Mission，Kepler-186f

图1：http://www.solarsystemquick.com/universe/ke-pler-186f.htm

图2：http://https://image.baidu.com/

图3：https://eos.org/features/kepler-a-giant-leap-for-exoplanet-studies

图4：http://en.wikipedia.org/wiki/Kepler_(spacecraft)#/media/File:NASA-KeplerSpaceTelescope-Artist-Concept-20141027.jpg

图5：http://www.space.com/25541-alien-planet-ke-pler-186f-facts.html

图6：http://spacecoastdaily.com/2014/04/ke-pler-telescope-discovers-planet-in-habitable-zone/