盡管利用詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡研究類地行星并非最佳方案，但系外行星研究人員已經(jīng)開始和天體物理學(xué)家爭(zhēng)奪該望遠(yuǎn)鏡的使用權(quán)。
詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）
圖片來源：NASA
二十年前，你可以用雙手和雙腳數(shù)出所有已知的行星。如今，你卻需要一個(gè)計(jì)算器和電子表格：成千上萬繞著其他恒星轉(zhuǎn)的系外行星已經(jīng)填滿了我們的目錄。找到上萬系外行星對(duì)天文學(xué)家來說已經(jīng)不再是新鮮事了。
大多數(shù)的系外行星都是炎熱、荒涼、彼此之間很不相同的氣態(tài)巨行星，比如“熱木星”或者“溫暖亞海王星”。但也有些星球就像我們地球的超大版：由巖石組成、條件溫和的“超級(jí)地球”。僅有少數(shù)幾個(gè)與地球尺寸、質(zhì)量和軌道相似的星球。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，每個(gè)恒星都有繞著它轉(zhuǎn)的行星，并暗示離地球最近的恒星可能不到12光年的距離——在天文上，這個(gè)距離實(shí)際上相當(dāng)于比鄰而居。然而，科學(xué)家依然不能確信上述與地球相似相鄰的行星是否真正存在。最終何時(shí)以何種方式發(fā)現(xiàn)它們，取決于不久未來的技術(shù)手段。
我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)令人興奮的系外行星，都來自于美國宇航局尋找行星的開普勒計(jì)劃（Kepler mission），但這一空間望遠(yuǎn)鏡觀察的對(duì)象往往過于暗淡和遙遠(yuǎn)，這對(duì)進(jìn)一步的研究造成了極大的困難。開普勒計(jì)劃的最新階段，即K2，正在尋找更近、更亮恒星周圍的行星。這一任務(wù)可能到2017年才會(huì)有進(jìn)一步發(fā)展，美國宇航局打算在這一年發(fā)射開普勒望遠(yuǎn)鏡的后繼者——凌日系外行星巡天測(cè)量衛(wèi)星（Transiting Exoplanet Survey Satellite ，TESS）。與開普勒類似，TESS會(huì)搜尋行星穿過恒星表面時(shí)留下的陰影。TESS可能會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)系外行星，其中可能有數(shù)百個(gè)是較小、且由巖石組成的。而這些由巖石組成的較小行星中，又有少數(shù)一部分能從星光暗淡的“M矮星”中獲得足夠的星光，使其表面能有液態(tài)水。
也就是說，TESS可以在附近找到少數(shù)適合居住的行星，甚至上面已經(jīng)有了生命。為了對(duì)其了解更多，天文學(xué)家將從遠(yuǎn)處探測(cè)各個(gè)星球的大氣層，并利用光譜儀尋找溫和的大氣特征，如水蒸氣和二氧化碳，或許還能通過細(xì)菌產(chǎn)生的甲烷以及植被光合作用產(chǎn)生的氧氣來發(fā)現(xiàn)潛在的生命跡象。
在21世紀(jì)20年代， 一些配置30米或者更大直徑鏡頭的 “極大望遠(yuǎn)鏡”來可能會(huì)在地面對(duì)TESS和其他航天器發(fā)現(xiàn)的非常明亮、距離近且適合居住的星球進(jìn)行測(cè)量。但是研究者一致認(rèn)為，研究這些行星的生命跡象是最好在太空中完成，這樣可減少地球混雜大氣的干擾。
天文學(xué)家已經(jīng)把老化的哈勃和施皮策空間望遠(yuǎn)鏡的能力發(fā)揮到了極致，卻還只能粗略探測(cè)太空中大的、熱的、不適合居住的星球。而只有NASA耗資90億美元、預(yù)計(jì)2018年投入使用的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，有希望在任一時(shí)間跟進(jìn)TESS的重大發(fā)現(xiàn)——能實(shí)時(shí)向大眾和國會(huì)匯報(bào)最激動(dòng)人心的進(jìn)展，對(duì)望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃的發(fā)起者來說自然是至關(guān)重要的。
不過，對(duì)于韋伯望遠(yuǎn)鏡到底能夠帶來多大希望，不同人的看法也不一樣。空間望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（the Space Telescope Science Institute）韋伯項(xiàng)目的科學(xué)家賈森·凱利拉伊（Jason Kalirai）對(duì)其抱有樂觀的態(tài)度：“利用它，我們可以在圍繞M矮星運(yùn)轉(zhuǎn)的‘超級(jí)地球’周圍大氣中檢測(cè)出二氧化碳、甲烷和水蒸氣。”但同一家研究所的天文學(xué)家杰夫·瓦倫蒂（Jeff Valenti）則認(rèn)為韋伯項(xiàng)目的前景更加不確定一些：“韋伯望遠(yuǎn)鏡能否成功在M矮星附近發(fā)現(xiàn)宜居星球的特征還得靠老天說話，”他說，“我們要去嘗試嗎？我們當(dāng)然會(huì)去嘗試。但是一定會(huì)有結(jié)果嗎？我持懷疑態(tài)度?！?/span>
尋找生命，發(fā)現(xiàn)大氣
韋伯望遠(yuǎn)鏡配備低溫冷卻探測(cè)器和巨大的6.5米的鏡頭，因此在紅外波段有著很強(qiáng)的分辨率，能夠檢測(cè)一些TESS凌日行星的大氣層。當(dāng)一個(gè)行星正在凌日、處于恒星陰影處時(shí)，韋伯望遠(yuǎn)鏡可以嘗試通過收集穿過行星大氣層的恒星星光來獲得大氣成分和結(jié)構(gòu)的信息。韋伯望遠(yuǎn)鏡還可以通過觀察行星離開凌日位置的時(shí)候（如行星跑到恒星的后面、被恒星掩蔽的時(shí)候）恒星亮度的變化來估計(jì)星球表面的溫度。
韋伯在尋找離太陽系外生命特征這一方面能起到多大的作用，很大程度上取決于運(yùn)氣。如果TESS沒有找到任何關(guān)于圍繞M矮星的超級(jí)地球的信息，韋伯望遠(yuǎn)鏡就難以進(jìn)行下一步觀測(cè)。韋伯望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)的初衷是為了研究宇宙中第一代恒星，并不是宜居行星，并且其設(shè)備在天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到它可以研究潛在的系外行星之前就已經(jīng)設(shè)計(jì)好了。探索更大，更明亮，更類似太陽的恒星周圍的類地行星將已經(jīng)超出韋伯望遠(yuǎn)鏡的要求，這類探索任務(wù)需要新穎的、充滿挑戰(zhàn)的光學(xué)技術(shù)，而這些技術(shù)已經(jīng)不能趕在發(fā)射前加入到望遠(yuǎn)鏡中了。
由于在M矮星周圍至少有一個(gè)潛在的可居住的超級(jí)地球，最安全的做法是僅僅用韋伯望遠(yuǎn)鏡確認(rèn)這顆行星擁有大氣層。即使這個(gè)行星真的擁有大氣層，把它歸入“可能適合居住”的星球還遠(yuǎn)遠(yuǎn)為時(shí)過早。M矮星本身作為恒星，就為其行星的宜居性帶來了很多不確定性和有挑戰(zhàn)性：在該恒星宜居帶中的行星受到非常強(qiáng)大的恒星耀斑的擊打，此外，它的行星可能還是“潮汐鎖定”的，即始終保持一面朝向恒星。
爭(zhēng)分奪秒
對(duì)于韋伯望遠(yuǎn)鏡的委員會(huì)而言，如何分配韋伯望遠(yuǎn)鏡的使用時(shí)間將是一個(gè)讓人頭疼的任務(wù)，在2018年望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空前他們將對(duì)此進(jìn)行協(xié)商。但是韋伯望遠(yuǎn)鏡研究的行星中，不適宜居住的行星數(shù)量可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過宜居星球的數(shù)量。“在M矮星周圍的行星許多都是熱木星這樣的情況下，我認(rèn)為韋伯望遠(yuǎn)鏡在某種意義上有大材小用之嫌，”高迪說，“這就像用大錘去錘小釘子……實(shí)際上，你可以用較小的工具完成。但也有人會(huì)認(rèn)為，最好、最先進(jìn)、最昂貴的設(shè)備，應(yīng)該用在只有它能完成的任務(wù)上，盡管不一定是最適合的?！薄缬^察超級(jí)地球。
根據(jù)ExoPAG，解決這一僵局的潛在方案是把韋伯望遠(yuǎn)鏡關(guān)于氣態(tài)巨行星的研究分配給另外一個(gè)空間任務(wù)。使用一個(gè)更小、更便宜的空間望遠(yuǎn)鏡專門研究數(shù)百顆熱木星和海王星的凌日時(shí)的大氣層。這一任務(wù)計(jì)劃于本世紀(jì)二十年代中期構(gòu)建和啟動(dòng)，那時(shí)韋伯望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)快要退休了。
天文學(xué)家近期已經(jīng)提出了這樣的任務(wù)，并獲得了些許結(jié)果。2013年美國宇航局通過了一項(xiàng)叫做快速紅外系外行星光譜探測(cè)（(Fast Infrared Exoplanet Spectroscopy Survey Explorer ，F(xiàn)INESSE）的方案，可以用來支持TESS計(jì)劃。去年，歐洲航天局通過了一個(gè)類似開普勒的計(jì)劃，即行星凌日和恒星振蕩（Planetary Transits and Oscillations of Stars，PLATO）計(jì)劃，該任務(wù)將于2024年啟動(dòng)，用以代替用來測(cè)量氣態(tài)巨行星的EChO（系外行星表征觀測(cè)站）計(jì)劃。現(xiàn)在，大家都開始意識(shí)到韋伯望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)時(shí)間有限這一殘酷的事實(shí)，兩方已經(jīng)在重新考慮他們的觀測(cè)機(jī)會(huì)。歐洲EChO項(xiàng)目組已提交了一份新方案，稱為ARIEL。美國FINESSE項(xiàng)目組聽說也正緊鑼密鼓地準(zhǔn)備一項(xiàng)新方案。
“這些項(xiàng)目的部分任務(wù)是要尋找并研究我們離我們最近的‘表親’——另一個(gè)地球，并試圖發(fā)現(xiàn)上面存在的生命跡象，但是它們的另一個(gè)目標(biāo)，也是希望去理解整個(gè)行星家族?！瘪R克·斯溫（Mark Swain）說道。他是一名系外行星大氣專家，也是美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室FINESSE項(xiàng)目組的領(lǐng)軍人物。“這些觀點(diǎn)迥異但或許殊途同歸，”斯溫補(bǔ)充道，“為了證明圍繞在另一顆恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的類地行星上存在生命，我們必須了解它們大氣工作的原理，這需要把它放在行星大氣層的總體實(shí)際中去，所以我們需要大規(guī)模的觀測(cè)任務(wù)來提供這樣的背景信息。”
不管凌日測(cè)量空間望遠(yuǎn)鏡能否實(shí)現(xiàn)對(duì)韋伯望遠(yuǎn)鏡的補(bǔ)充，美國宇航局的后韋伯望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。該機(jī)構(gòu)計(jì)劃在韋伯望遠(yuǎn)鏡之后的2020年，推出2.4米口徑的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡（Wide-Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）。其目的是研究暗能量、以及對(duì)氣態(tài)巨行星進(jìn)行快照。許多系外行星科學(xué)家都寄希望于WFIRST或其繼任者來尋找系外地球。也許在本世紀(jì)30年代或以后，能有10米或12米的空間望遠(yuǎn)鏡，專門用于對(duì)大量類日恒星周圍的類地行星進(jìn)行直接成像。但是優(yōu)化望遠(yuǎn)鏡將是一個(gè)艱難的任務(wù)，所以可能會(huì)犧牲對(duì)小一些、暗一些的恒星周圍較有希望的行星進(jìn)行深入研究的能力。這樣的望遠(yuǎn)鏡理論上可以研究數(shù)以百計(jì)的類地行星，但代價(jià)也許是只有探測(cè)到最近、最亮的M矮星周圍十幾個(gè)有可能宜居的行星。
因此，系外行星領(lǐng)域的下一場(chǎng)爭(zhēng)奪戰(zhàn)，可能就存在與是尋找真正的“另一個(gè)地球”，還是用韋伯望遠(yuǎn)鏡研究更加陌生的M矮星星系這兩種選擇之間。“我不認(rèn)為韋伯望遠(yuǎn)鏡能取得很大的成功，”來自阿默斯特學(xué)院的考恩（Cowan）說道，“它能幫助我們研究M矮星，但不能尋找到類似地球的家園。所有用于追尋類地行星的下一代空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃，其目標(biāo)都是追尋圍繞類日恒星旋轉(zhuǎn)的類似地球的行星。想象一下如果我們用韋伯望遠(yuǎn)鏡獲得了一些關(guān)于M矮星行星的重要觀察結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)它們有大氣層，我們或許又得將這些發(fā)現(xiàn)擱置30年，這是一個(gè)很大的問題?！保ㄗ模豪睢け褥`斯（Lee Billings） 翻譯：鄧哲民 審校：丁佳琦）
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