系外行星|又双叒叕发现新宜居星球？“地球2.0”新人出道
文章来自“科学大院”公众号
作者: 乘凉
宇宙冷漠而又磅礴 ， 面对浩瀚的星海 ， 相信很多人都有过思考 ， 地球是否是孤独特别的那一颗呢？光年之外 ， 是否真的有其他文明的存在？截至2020年7月 ， 人类发现了有3,163颗恒星拥有自己的行星 ， 总共证实的系外行星数量有4,281颗 。 对太阳系之外的探索 ， 不仅仅是为了“寻找地球2.0计划” ， 更是为了探寻可能存在的太空文明 。
最近 ， 科学家们发现了太阳系之外的一颗行星 ， 也许会是“地球2.0”的有力竞争者 。
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（地球2.0的畅想图 图片来源：NASA）
宜居星系的主角恒星
太阳系的邻居中 ， 离地球最近的是距离我们4.3 光年外的比邻星 。 视野继续向外拓展 ， 周围10 光年内的恒星有13颗 。 不过按照目前的探索结果来看 ， 仅发现了四颗星旁有绕转的系外行星 。 这次的主角是恒星GJ 887（又名Lacaille 9352）,它距离我们10.74 光年 ， 也是一位离我们相当近的邻居 。
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太阳系邻居分布图 ， 红色方框标记的就是本次的主角 （图片来源: wikipedia）
虽然距离上比比邻星远不少 ， 但恒星GJ 887在夜空中的表现却出色多了 。 相对于11.05等暗淡的比邻星 ， 观测者用肉眼所看到的恒星GJ 88亮度为7.34视星等 。 视星等的数值越小亮度越高 ， 反之越暗 。 人眼在夜空环境良好的情况下可以看到6等星 ， 虽然还要暗一些的GJ 887注定肉眼无法直接捕捉 ， 但是夜空晴好的时候 ， 通过双筒望远镜就很容易发现它 。
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（图片来源：Stellarium 软件截图）
GJ 887在天空中的位置（天文学中HD 217987 、 CD-36 15693、HIP 114046等也是它的编号）
与正值壮年的太阳不同 ， 恒星GJ 887是一个步入耄耋之年的红矮星 。 就目前的数据来看 ， 它应当是天空中最亮的红矮星了 。 相对于太阳表面5000多摄氏度的高温 ， 其表面温度只有3,400多度 。 它的质量只有太阳的一半 ， 其半径也只有太阳的46 % 。
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太阳和 GJ 887的对比（图片来源：NASA）
为什么把目光指向这颗星？
恒星的分布其实不是随机的 ， 而是集中于显示恒星演化过程的赫罗图从左上角至右下角的主序带上 。 科研人员在探索系外行星时 ， 喜欢把目标行星选择为太阳这类处于主序星阶段的恒星 ， 因为主序星状态比较“稳定” 。 因此 ， 位于主序星宜居带上的系外行星相对来说宜居的可能性更大一些 。
可是从比例来看 ， 宇宙中和GJ 887这样同属于红矮星的恒星比例要高一些 。 就拿我们银河系举例 ， 数量最多的恒星就是红矮星了 ， 所以发现很多绕着红矮星运转的系外行星也不足为奇 。 我们熟悉的比邻星就是一颗红矮星 ， 我们在2016年和今年的四月份相继确认了它的第一颗和第二颗行星的存在 。
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比邻星的两颗行星畅想图（图片来源：NASA）
但是有个小问题 ， 附属于红矮星的行星想要变宜居的条件要比主序星苛刻一些 。 一来是因为红矮星相对较冷 ， 星球上想要保持合适温度就要离母星近一些 ， 万一太近了 ， 就容易被潮汐锁定 。 这样行星的一面将会面临永久处于烧烤模式的白天 ， 另一面则是永远寒冷的暗夜 。 二来则与恒星自身的活动有关 。 类似GJ 887这样的M型星容易“作妖” ， 时不时地产生个耀斑、散发出强烈的恒星辐射 。 这样冷不丁地一击对于行星上的生命体来说是致命的 。 行星的大气层会被侵袭 ， 生命体很容易死亡 。
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太阳耀斑示意图（图片来源：wikipedia）
从目前揭示的数据来看 ， GJ 887的磁场比较安分 ， 还没有发生过耀斑事件 ， 所谓的狂躁特征似乎与它无缘 。 那么 ， 只要有行星在宜居带上 ， 那它表面很可能存在水 。 并且 ， 伴随着母星安分的特点 ， 我们将来研究分析行星大气的过程就容易很多了 。
综上所述 ， 对GJ 887系外行星的研究就成了一块香饽饽 。
GJ 887的行星家族
早在2002年至2004年 ， 科学家就陆续证实了GJ 887附近两颗系外行星的存在 。 这两颗行星为GJ 887 b、GJ 887 c 。 它们绕母星旋转一圈的时间分别为9.3天和21.8天 。 推算得到它们的质量分别约为地球的4.2倍和7.6倍 ， 可谓是“超级地球”这一层次的选手 。 目前还没有明显的证据说明它们是类地行星还是类木行星 。 它们离母星的距离也非常近 ， 前者为日地距离的十五分之一 ， 后者距离母星只有日地距离的八分之一 。
【系外行星|又双叒叕发现新宜居星球？“地球2.0”新人出道】显然 ， 两颗行星的位置都太靠内侧 ， 已经偏离了母星的宜居带 ， 它们沐浴来自母星的光和热分别超出了地球的2.5倍和8倍之多 ， 生命的存在可能可以说是微乎其微了 。
给我们带来希望曙光的 ， 是这次欧洲南方天文台红点2项目（Red Dots 2 project）的新发现 。
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揭示GJ 887 多行星运转周期的论文插图 图源：参考文献[1]
结合观测数据的分析 ， 研究人员发现了一颗疑似八倍地球质量大小的行星——GJ 887 d ， 它的轨道周期为50.7天 ， 距离母星的距离为0.17个天文单位 。 结合母星物理参数分析 ， 它很有可能是在宜居带内的 。 在温和的母星陪伴下 ， 它成为地球 2.0的概率也变得很高了 。 并且在詹姆斯韦伯望远镜发射上天后 ， 我们还能细细端详它的大气层 ， 到那时候 ， 能不能成为另一个家园的结论或许就能出来了 。
似乎一切看起来都很美好 ， 不过还有个尴尬的问题：万一模拟出的第三颗行星的信号不是行星而是恒星的自身活动引起的呢？在系外行星的探索中常常需要面对这类干扰问题 ， 所以光是本次研究给出的结果还不能让我们对GJ 887 d的存在一锤定音 ， 还需要更进一步的探测才能下结论 。
那么 ， 怎样进行更进一步的探测呢？最简单粗暴的 ， 我们建一个更大、集光能力更强的望远镜 。 此时 ， 太空后浪——詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）已经开始摩拳擦掌了 。
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三颗行星的参数 ， 其中GJ 887 d的存在还未得到证实（AU 表示平均日地距离 ， M□表示地球质量）
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关于近邻恒星GJ 887 宜居带模拟（图片来源：ESO）
窥视行星家族的幕后“侦探”
系外行星的探测并不是把望远镜对准某个恒星 ， 看到有行星围着它运转就发现了一颗行星那么简单 。 行星本身不发光 ， 它们只能反射来自母恒星的光 。 这和恒星发的光比起来可谓是小巫见大巫了 。 想要直接用望远镜观测的行为实在是too naive 。
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（图片来源：ESA）
少有的直接观测的案例 。 上图就是一个2004年 ， 欧空局直接成像发现的系外行星 。 这是一个距离我们230 光年的系统 。 这个例子中 ， 母星是一颗演化到末期的暗淡”褐矮星“ ， 而绕转着的是一颗比木星质量还要大四倍的类木行星
抛开直接成像法 ， 想要在我们周围的邻居中发现系外行星 ， 现今唯一能用的方法就是视向速度法了 。 望文生义 ， 视向速度法就是测速度的方法 ， 具体点就是测恒星相对我们运动速度的方法 。 这也是发现第一颗“正经”系外行星所利用的方法 ， 去年的诺奖就发给了两位发现这一行星的大佬 。
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行星绕着母星旋转示意图（图片来源：自绘）
牛顿引力理论告诉我们 ， 由于行星环绕 ， 恒星也会围绕着它们的共同质量中心旋转 ， 反映到观测上的结果是 ， 恒星就像荡秋千一样 ， 时而远离我们 ， 时而朝我们而来 。 尽管相对它本身离我们的距离 ， 这点变化显得微不足道 ， 但聪明的天文学家们有办法分辨出来 。
下图显示了视向速度测量的示意图 。 视向速度测量并不是呆板地不断测量恒星离我们距离的变化 ， 来得到它不同时候离我们的速度究竟有多少 。 这在理论上是可行的 ， 只要你有无限精密的仪器 ， 但实际上做不到 。 我们可以做的 ， 就是充分利用恒星的光谱 ， 利用多普勒效应反推母星运动速度 ， 从而间接获取其中是否有行星以及行星质量、大小、轨道等有关信息 。
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利用恒星光谱来推断系外行星（图片来源：自绘）
每一颗恒星都有着属于自己的光谱 。 多普勒定律告诉我们 ， 当一颗恒星远离我们时 ， 它的谱线会往波长比较长的一段移动 ， 也就是图上颜色偏红的一端 ， 我们称之为红移；而当它在视线上朝向我们运动时 ， 观测到的它的谱线会向蓝色的一端移动 ， 我们称之为蓝移 。
行星运动的速度越快 ， 它的谱线偏移的就越狠 ， 行星的质量就越大 ， 离母星的距离就越近 。 因而我们可以不断关注着恒星的谱线变化情况 ， 以期获得母星的运动信息 ， 之后便可以反推这颗恒星是否有行星 ， 行星质量大小以及轨道等相关信息了 。
另外 ， 想要用视向速度法测量的结果更准确 ， 就需要我们的恒星光谱分辨率越高越好 。 翻译成大白话是 ， 望远镜中测光谱的仪器越厉害 ， 就能越好地标定出系外行星的物理参数 。
这次潜在的GJ 887 d行星由欧洲南方天文台位于智利的3.6 m望远镜发现 ， 进行测量的是名为高精度视向速度行星搜索（HARPS）的光谱仪 。 未来想要证实它的存在 ， 正在憋大招的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）将会是一个很好的接棒者 。
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解决若干天文问题的大救星-——詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）（图片来源：wikipedia）
呼之欲出的JWST
JWST这一大项目由美国宇航局、欧空局等几家负责 ， 相信对天文了解一些的小伙伴已经不陌生了 ， 它就是要取代哈勃望远镜的“后浪” 。 它的直径为6.5 m ， 远超哈勃的2.4 m 。 同时JWST上天后的一项任务就是进行系外行星的探索 。 届时 ， 伴随着太空优秀观测环境的加成 ， 它搭载的高精度光谱仪势必会对恒星光谱十分敏感 ， 甚至会带来行星科学方面的革命 。
所以慢慢等着JWST上天看一看GJ 887这个恒星吧 。 目前 ， JWST项目组主页公布的发射时间为2021年10月31日 。 不过因为JWST时常各种原因宣布跳票 ， 似乎正确预测它的发射时间也成了一个科学任务（狗头逃避） 。
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预期JWST的发射时间 ， 可能是2026年吧（假正经）底部文字：看呐 ， 至少斜率是小于1的
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参考资料：
[1].Jeffers S V, Dreizler S, Barnes J R, et al. A multiplanet system of super-Earths orbiting the brightest red dwarf star GJ 887[J]. Science, 2020, 368(6498): 1477-1481.
[2].Ksanfomaliti L V. Extrasolar Planetary Systems[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1999, 96(25):14197-14198.
[3].Gratton R, Zurlo A, Coroller H L, et al. Searching for the near infrared counterpart of Proxima c using multi-epoch high contrast SPHERE data at VLT[J]. arXiv preprint arXiv:2004.06685, 2020.
[4].韩海年,魏志义,赵刚. 天文光学频率梳及其在天体视向速度高精度测量中的应用[J]. 物理, 2012, 41(04): 249-255.
作者单位：中国科学院大学
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