寻找第二个地球和生命 |葛健
The following article is from 墨子沙龙 Author 葛健
墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。
仰望星空，你可曾想过茫茫宇宙中是否还有与我们一样的生命个体？俯瞰大地，是否还有另一片土壤能让我们脚踏实地？
《三体》里的叶文洁曾向宇宙发射信号，埃隆·马斯克也扬言说要把人类送上火星。从太阳系到银河系，你相信宇宙中还有第二个地球与生命吗？让我们跟随葛健老师的脚步，一起听听宇宙中是否有回音。
内容来自墨子沙龙线上活动（2022年8月），演讲者是中国科学院上海天文台葛健讲席教授。
第二个影响星球宜居度的是碳循环。自然条件下，火山爆发会释放大量二氧化碳形成温室效应，导致地球的表面温度升高，因而大量下雨。二氧化碳跟水可以产生碳酸，进而与地面上的硅酸钙岩石发生风化作用，使得硅酸分解，剩下的钙离子和碳酸氢盐的成分随水流入海洋。海洋中钙离子和碳酸氢盐发生作用形成碳酸钙，沉积在海洋的底层。
除了上两个因素，生物的活动对气候的塑造也是不可忽视的。人类贡献的二氧化碳，甚至氟利昂的排放也在深刻的影响地球的气候。这也可以作为寻找其他星球高等智慧生命的依据。
太阳系内的可能生命大家对离地球最近的两颗行星，火星和金星做了长期的观测。早在100多年前，人们就发现火星上有季节的变化。1890年代，意大利的一位科学家观测了火星若干年之后，认为火星可能有人造沟渠，因为火星两极有冰盖，而火星比较干燥，所以火星人就把火星两极的冰盖融化的冰水通过人工渠引到赤道附近灌溉农业。
天文学家Percival Lowell （1855-1916）
人造水渠？15年的观测
现在哈勃望远镜看到的火星，发现火星两极确实有冰盖，但这是由二氧化碳形成的干冰，不是水形成的冰盖，温度比地球低几十度；它的大气也非常稀薄，压强只有地球的千分之五，因为火星的体积太小，引力不够大，无法吸引住足够的气体；虽然火星上几百万年前有过火山爆发，但是如今没有板块运动。这说明早期它可能是宜居的，甚至可能有生命的诞生，但现在没有。体积不够大、火山没有继续喷发、没有板块运动，最终决定了火星是一个没有高等生命的环境。
首先是多普勒视向速度，测量的是地球跟太阳之间的引力互搏。太阳对地球有引力，地球对太阳也有引力。地球对太阳产生的影响大概是10厘米/秒的速度，对太阳的扰动非常小，但如果仪器的精度足够高，便能探测到第二个地球的信号。1995年，人类第一次用这种技术在类太阳周围发现了一颗热木星。然而多普勒技术要实现超高精度的测量是相当困难的，20世纪末，视向速度测量最高精度大概在3米/秒，地球对太阳的影响只有0.1米/秒。因此直接使用多普勒技术搜寻第二个地球的困难非常大。
因此，科学家发明了另外一个办法，即凌星法。这种方法测量行星遮挡恒星时（凌星现象），恒星发生的亮度变化。比如地球大小挡住太阳万分之一，如果能够测量恒星小于万分之一的亮度变化，就能看到类地行星的凌星信号。美国人用开普勒望远镜对一个在织女座边上的天区凝视观测四年，虽然没有找到第二个地球，但找到了非常有趣的一个新种群。银河系中，三分之一类日恒星周围，大量的行星存在于水星轨道以内。这个种群的行星大小比地球要大，比海王星要小，即介于一倍地球和四倍地球之间。我们叫做超级地球和亚海王星。
凌星法探测类地行星
四年以后，开普勒卫星有两个飞轮失败没法继续对织女座附近天区做连续凝视观测，所以没有获取足够多的数据，看不到第二个地球，即地球2.0（半径是0.8-1.25地球半径）的微弱信号。一方面因为它的机械出了故障，必须要转向别的天区。另一方面是开普勒卫星上天之后，发现大部分的类太阳恒星，比太阳的活动还要强。2/3以上跟太阳相似的恒星比太阳更活跃，导致的恒星内禀噪声过高，它们上面即使有地球2.0，也很难通过凌星观测发现，同时它们上面很可能不适合生存。所以我们需要找跟太阳相似但更安静的恒星。
我个人从2010年开始，自己带领一个团队做一个世界上最先进的多普勒仪器。经过三年多的时间，研制了一台叫TOU高精度的光谱仪。在天文台又调制了两年后，到2015年，我们得到了大约0.8米/秒的精度和稳定度，虽然这个精度在当时是国际领先，但还是达不到寻找地球2.0的地步。地球2.0对类太阳的引力影响只能产生～0.1米/秒的运动速度。但是也有一些成果，我们很快在距离只有16光年的波江座40恒星附近找到了一个42天周期、8.5倍地球质量的超级地球，这与《星际迷航》里的假想的绕着波江座40恒星的瓦肯星的描述非常相似，因此受到了全世界范围内数以亿计的《星际迷航》粉丝的强烈关注和国际上千家大媒体的关注。
离地球最近的恒星（除太阳之外）比邻星，只有太阳的12%的质量，距离我们4.2光年。2016年，科学家利用视向速度方法探测，发现上面有一个11天周期的地球质量的宜居行星，上面可能有水有生命，当时也引起了非常大的轰动。
比邻星的宜居行星想象图
Trappist-1 的宜居行星想象图
与此同时，天文学家也用凌星法搜寻类地行星。比利时的天文学家迈克尔·吉隆（Michaël Gillon）用地面和空间望远镜的凌星观测结合起来，在2017年发现在比比邻星质量还小，大概只有8%的太阳质量的Trappist-1红星周围有七颗行星，这七颗行星周期非常短，最大的周期也就十几天。在这么近的距离内有七颗行星，而且有三颗行星处在宜居带，非常不可思议。这也是人类第一次找到红矮星周围有三颗宜居星。
现在人类找到了大概十来颗跟地球质量相仿的宜居行星，但都是绕着红矮星。而红矮星周围的宜居行星上到底能不能有生命，这本身就有很大的争论。原因很简单，类似地球与月亮的关系，潮汐锁定现象会使得红矮星周围的行星只有一个面朝着恒星。同时它们距离又那么近，导致“眼球”的这种特殊现象，即对着太阳这一面非常干燥，背的那一面没有太阳，就变成冰天雪地。这个环境中大气能不能生存都存在问题，因为冰天雪地会把大气给吸收下去。此外，更严重的是，红矮星比太阳要活跃10到1000倍。红矮星的耀斑甚至能够直接扫过这个星球，把生命烤干。
小质量红星的超级耀发（包括X-射线、紫外线）是太阳的10-1000倍，可以杀死各种生命
而如果红矮星周围宜居行星上面有高等生命，由于红矮星主要发射红外线，生命就不会像我们一样用眼睛看，而更可能是用红外传感器感觉热这种红外现象。
到底有没有找到和我们更相似的候选者？
开普勒（太空望远镜）在这方面做了很多的贡献，开普勒上天一年多就发现了开普勒-22b，它的恒星有97%的太阳质量，它本身处在宜居带中，有2.4倍地球半径，质量可能是十几倍地球质量，是个超级地球或者亚海王星。但因为质量太大，上面很难存在生命。两年后，他们在一个69%的太阳质量的恒星周围发现了两个宜居行星，行星半径基本是1.4倍到1.6倍地球半径，质量是2.8个地球质量和4.5个地球质量。
在开普勒卫星失败之前，数据分析发现了开普勒-452b。这个行星的寄主恒星是1.04个太阳质量，这个行星的轨道（周期）是385天，半径是1.5个地球半径，质量大约是地球的5倍质量。那么这种宜居的超级地球适不适合有生命呢？问题在于，如果地球质量增加一倍以上，地球的引力增加，会不会吸取更多气体，产生更强烈的温室效应？同时引力过大，也会导致表面火山和火山岩浆到处都是，非常不利于生命的诞生和成长起来。
遗憾的是，后来经过科学家的进一步数据分析，发现开普勒-452b的信号可能是假的。看来要找到第二个地球确实非常困难！
所以说从这个角度来讲，我们确实还没找到跟地球相似的绕着类太阳周围的宜居行星。下面这张图纵坐标是质量，横坐标是轨道周期，把目前找到的所有的系外行星画在这张图上。绿点是用凌星法，即开普勒卫星用的方法，找到的大量行星。蓝点是用视向速度法找到的行星。再一个就是黄点，是用微引力透镜的方法，即测量引力聚焦背景的恒星光导致的光变的方法。这三个方法到目前为止都没找到第二个地球，在地球“位置”上还没有任何其他行星，但是这些方法发现的行星都已经非常逼近这个位置了。
我国的地球2.0空间卫星项目
我领导的地球2.0空间卫星项目，目标是利用凌星法寻找类地行星。我们的目的是设计出一整套的空间载荷，包括六台30公分的广角望远镜，对开普勒附近的天区继续观测。我们希望在这里面观测四年，最后能找到若干个跟地球一样的行星。同时我们也希望通过空间的微引力透镜的方法，对银河系中心区域去观测。
地球2.0预期发现的系外行星质量和轨道周期的分布。预计将在类太阳3恒星周围发现大约20个宜居的地球大小的行星，即地球2.0
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