地球只是驿站，人类的下一个落脚点在哪里？
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造就第315位讲者 周济林
南京大学天文与空间科学学院院长
今年4月16日，NASA发射了一颗巡天卫星，名为TESS（凌日系外行星巡天卫星），它的主要目标是寻找更多的系外行星。
为什么要去寻找太阳系以外的行星？究其原因，还是回到那个至今仍未解开的疑问：人类从哪里来？又将要到哪里去？
著名科幻小说《三体》所描述的就是文明生存的竞争，也是居住地的竞争。书中「三体文明」处于半人马座α星，是距离太阳最近的恒星系统。但由于它是一个三星系统，即由三颗恒星组成，运动并不稳定。
当三颗恒星引力相对于行星不平衡时，就出现了小说中描绘的「乱纪元」世界：要么三个太阳同时出现，要么一个太阳都没有，人们在煎熬中等待「恒纪元」出现，他们向往如地球一般安稳的宜居家园。
为什么我们已经生活在地球这个安定的星球上，却仍然要去寻找适合人类居住的行星？
因为人类不可能永远生活在这个摇篮中，我们这是在为未来做打算。
那么，什么样的行星是宜居的？
第一，类地行星，拥有固体表面。迄今为止我们所发现的行星，归纳起来可分为两类：类木行星和类地行星。如果行星的质量大于10个地球质量，那么它就可以显著地吸收气体，形成类木行星；反之，小于10个地球质量则多半是类地行星，因为它没有机会得到更多的气体。
第二，存在液态水，且位于宜居带上。行星的宜居带必须与主星之间有一个合适的距离，而这个距离的远近取决于主星的大小。主星越小，与宜居带之间的距离就越近，辐射也就越强，人类在这样的星球上是没办法生存的。
我们希望找到一个像太阳这样的恒星，那么位于其宜居带的类地行星就是「下一个地球」。
第三，主星辐射不能太强。地球之所以适合人类生存，是因为它远离太阳，且星球内部有液态核，形成一个磁场，从而保护了我们的生命。这也是人类的幸运之处。
相比之下，我们的邻居火星就不是那么幸运了，它虽然也处于太阳的宜居带，但是现在却没有生命。
研究表明，火星以前可能是有生命的，后来由于某种原因，比如受到小行星的碰撞，把它的液态核撞没了。要知道，液核很多是带电的离子，流动起来会产生磁场，没了它，保护大气的磁场也就消失了。所以，火星现在几乎没有大气，也就不适合人类居住了。
有人提出，我们能不能改造火星，使得它适合人类居住？这当然是可以的，但所需要的成本非常大。关于改造的方法，我想最多有两种：
小改造：搞个阳光棚，里面种点花花草草，这样人在那里至少可以生存了。
大改造：搞个液态核，让它有磁场保护，这个难度就太大了。
当然，仍然有人会去尝试，比如马斯克的「火星移民计划」。我们不清楚这个计划要付出多少代价，但至少他已经算出了每个人去火星的成本，甚至连单程票价都出来了。如果真的可以实现，我们将来最好是买往返票，这趟旅程也许会很寂寞。
经过人类的不懈努力，终于在1995年发现了第一颗太阳系以外的行星，这归功于瑞士的两位科学家。那么如何探测行星呢？
视向速度法
大家都知道行星是很暗的，根本看不见，怎么办呢？我们可以去看恒星。因为行星跟恒星绕着公共质心在转，所以我们观测的那个恒星，它其实有个像身份证一样的东西——光谱。光谱有很多谱线，如果这个恒星不动，谱线是固定在某个地方的；一旦恒星开始运动，那这个谱线也会移动。
就像高铁，它离开我们时声音会变缓，而向我们运动过来的时候，声音就比较尖锐，这就是多普勒效应。利用这个原理，我们就可以反推出恒星运动的原因，是不是因为它受某颗行星的影响。于是，第一个太阳系外行星就是这样被探测出来的，下面这张就是它的轨道周期示意图。
凌星法（transit）
凌星法是目前被广泛应用的系外行星观测方法。它的原理很简单，当行星正好从你的视线与恒星之间经过时，你认真观察恒星，就会发现它的光度发生变化，而且这个变化是周期性的。当然，这个变化的大小取决于行星的大小。例如，木星的大小是太阳的十分之一，所以它这个光度的变化就是百分之一。
小朋友们听到这个，可能会想：今天晚上我去看星星，盯着看它能不能掉下来，如果掉下来就发现了一个行星。要知道，这个通常肉眼是分辨不出来的，要通过卫星去探测。
TESS、James Webb、开普勒等，科学界发射的望远镜几乎有一半都在寻找系外行星。在这里，要重点说下开普勒太空望远镜，在它短暂的「寿命」中，发现了超过三千个系外行星，这是人类文明一个重大的进步。
开普勒发现的行星中，有一个跟地球非常相近，可以说是地球的「表哥」，被命名为开普勒452B。它的主星也很像太阳，但是遗憾的是它离我们太远了——1400光年。「移民」到这个星球的旅程很可能是单程的，非常危险。但无论如何，我们至少看到了希望，远的已经找到了，近的还会远吗？
那么，迄今为止，人类找到了多少个类地行星？
如果以半径或者质量这个标准来看，大概有700到800颗。但如果我们除去远距离的那些，只统计一百个秒差距，也就是300光年以内的类地行星，就只有30颗。把距离再放近一点，60光年以内，这在天文上已经很近了，这样就只剩下10颗。
这10颗行星大部分都来自于一个叫trappist-1的系统，我们中国称之为葫芦娃系统。它的主星是一颗矮星，比太阳小多了，但是它带领着一串类地行星。遗憾的是，它们离我们依然很远。真正离我们近的，在10个秒差距（约30光年）以内类似太阳这样的恒星系，还没有找到宜居带行星。当然，我们有义务继续寻找。
前面提到了很多国外的空间项目，那么我们中国有没有自己的巡天卫星呢？
我和同事们也都提出了一些项目，比如为宜居的类地行星「拍照」，我在前面介绍过的类地行星都是没有成像的，我们希望通过光干涉将行星和恒星分开来再去成像，先把它的图片拍出来。
但是大家也知道，空间项目的周期很长，可能从你提出计划到卫星上天，花上十年的时间已经很幸运了。那么，在此之前我们总要做些事情。
我们课题组参与了南极的一个巡天项目。那里冰天雪地，气候寒冷干燥，条件非常艰苦，但这片大陆也拥有天文学家最喜欢的连续42天的极夜。
由于冬季气温很低，最低可达到零下83摄氏度，人在那里是没办法过冬的。所以，我们会先在头一年的夏天派科考队过去，把望远镜放置并调试好后离开，让它工作一年，第二年夏天再去把数据「扛」回来，或者通过卫星来传输。
通过这样的观测模式，我们这个课题组利用图中这几个望远镜，在2014年发现了200余颗高置信度的系外行星候选体，成为世界上第一个在南极天区发现系外行星的科考团队。2017年，我们又在南极发现了最大批量的系外行星。
除此之外，我们也在号称「世界第三极」的西藏也设立了天文台。位于海拔5100米的西藏阿里天文台已经建成了一半，其中有一个平台，我们称之为平行顶。在这里将放置五个小望远镜，进行系外行星的搜寻，期待能收获好的结果。
最后，回到一开始提到的问题：人类为什么要探索宇宙？
这个问题答案很多，科研方向不同，回答自然也不同。从我的角度看，我们探索宇宙的目标，是寻找另外一个宜居的类地行星，寻找我们另外的家园。当然，这件事不是一蹴而就的，可能需要几代人的努力。
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「造就学者」天文专场
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校对丨其奇
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