从“热木星”到“熔岩地球”!行星探测30年,我们为何总找错对象

从“热木星”到“熔岩地球”!行星探测30年,我们为何总找错对象

宇宙这么大,我们总盼着能找到另一个像地球一样的星球,它有蓝天大海,甚至生命,好证明我们并不孤单。从1995年发现第一颗系外行星到现在,人类已经找到了6000多颗,可那个真正的“地球双胞胎”却一直没露面。

不是科学家不想找,是要找一颗和地球如此相像的星球,真的太难了。

一场颠覆认知的“乌龙”发现

1995年10月,在意大利佛罗伦萨的一场会议上,瑞士科学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹宣布,在50光年外的飞马座,发现了一颗绕恒星“飞马座51”运行的行星。这是人类首次确认的系外行星,堪称划时代的发现。

这本该是载入史册的欢呼时刻,现场却一片死寂,随即是无尽的质疑。原因无他,他们描述的这颗“飞马座51b”行星,实在是太“离经叛道”了。

根据他们的数据,这颗行星的质量大约是木星的一半,却紧贴着它的“太阳”疯狂旋转,公转一圈只需4.2天。这意味着它的表面温度高达1000摄氏度以上,足以熔化钢铁。

在此之前,人类所有关于行星系统的理论,都建立在唯一的参照物——太阳系之上。在我们的认知里,像木星这样的气态巨行星,应该待在寒冷的外围轨道,安分守己地扮演着“老大哥”的角色。

而这个“飞马座51b”,却像个失控的庞然大物,闯进了我们认知中的“禁区”。它就像一个在赤道穿着羽绒服的人,完全不符合常理。

当时,权威科学期刊《自然》杂志在发表他们的论文时,标题都谨慎地加上了一个问号:“A Jupiter-masscompanion to a solar-type star?”(一颗类太阳恒星的木星级伴星?)

这个后来被命名为“热木星”的天体,让整个天文学界陷入了沉思。我们寻找“地球”的旅程,竟然是以一个彻底颠覆我们对行星系统认知的“怪物”开始的。

这场看似“乌龙”的发现,像一把钥匙,打开了系外行星探索的大门,也预示了这条路的曲折与离奇。

我们是如何“看见”行星的?

既然行星自己不发光,我们又是如何在几十、几百光年外“看见”它们的呢?答案是:靠间接的线索,像侦探一样推理。

目前,主流的方法有两种,每一种都像是在玩一场宇宙级别的“盲人摸象”。

第一种,叫“凌日法”(Transit Method)。你可以想象一下,一只飞蛾从一盏亮着的灯泡前飞过,虽然你看不清飞蛾,但你会注意到灯光在那一瞬间变暗了一点点。

天文学家就是利用这个原理。当一颗行星恰好从地球和它的主恒星之间经过时,会遮挡住恒星极其微弱的一部分光芒。NASA著名的开普勒太空望远镜🔭,就是用这种方法,像一个不知疲倦的“星光监察官”,一口气发现了数千颗行星。

但这种方法的局限性显而易见:它要求行星的轨道平面必须精准地与我们的视线平行。只要稍微倾斜一点,我们就什么也看不见。

这就像你想看到对面楼上的人影,必须正好在他经过窗户时才能瞥见一样,机会非常渺茫。

第二种,也是发现第一颗“热木星”的方法,叫做“径向速度法”(RadialVelocity Method),听起来复杂,原理却很直观。行星在围绕恒星公转时,它微弱的引力也会反过来“拽”动恒星,让恒星产生极其微小的、周期性的晃动。

当恒星朝向我们晃动时,它的光谱会向蓝色端移动(蓝移);远离我们时,则向红色端移动(红移)。通过精密的光谱仪捕捉这种“多普勒效应”,我们就能推算出有一颗看不见的行星在旁边拉扯它,并估算出这颗行星的质量。

这种方法听起来很酷,但难度超乎想象。地球对太阳造成的晃动速度是多少?每秒9厘米,这是一个比乌龟爬行还慢的速度。

要在几十光年外,隔着茫茫星海,精确测量出一颗巨大恒星如此细微的晃动,其难度不亚于站在北京,分辨出上海一只蚂蚁是在向前走还是在向后退。目前,人类最顶尖的光谱仪,其探测精度也才刚刚达到每秒10厘米的门槛。

这两种主流方法,一个依赖苛刻的运气,一个挑战着物理极限。更重要的是,它们都存在一种“幸存者偏差”:我们更容易发现那些又大又近的行星。

因为越大的行星,“挡光”效果越明显;离恒星越近的行星,引力拉扯效应越强,公转周期也越短,更容易在有限的观测时间内被反复确认。

这也就解释了为什么早期发现的都是“热木星”这类奇葩天体。

不是宇宙中只有这些,而是我们的“渔网”网眼太大,只能先捞到这些“大家伙”。

那些与地球擦肩而过的“兄弟”

在这样的技术限制下,寻找“地球兄弟”的过程充满了令人哭笑不得的“乌龙”。

2013年,天文学家发现了一颗名为“开普勒-78b”的行星,一度引起轰动。它的直径是地球的1.2倍,密度也几乎与地球完全相同,这意味着它和地球一样,是一颗岩石行星。

这简直是完美的“地球翻版”!但喜悦没有持续多久,进一步的观测数据显示,它围绕主恒星公转一周,只需要8.5个小时!它与恒星的距离近到表面完全是熔融的岩浆,是一个名副其实的“熔岩地狱”。我们找到了一个“地球”的躯壳,却发现它身处炼狱。

后来,我们又找到了一个名为TRAPPIST-1的行星系统,这里有七颗大小与地球相仿的岩石行星,像一串珍珠项链一样紧密排列。其中几颗还恰好位于所谓的“宜居带”内——这是一个与恒星距离适中,理论上允许液态水存在的区域。

这似乎是人类离“第二家园”最近的一次。

然而,这个系统的“太阳”是一颗暗淡的红矮星,这些行星即便在宜居带,也可能因为强大的潮汐力被恒星锁定,永远只有一面朝向恒星,导致一面酷热、一面严寒的极端气候。

我们一次次地找到大小相似的、密度相似的、轨道位置相似的行星,但它们总是在某个关键指标上“跑偏”。要么是“地狱版地球”,要么是“冰火两重天版地球”。

那个不大不小、不远不近、恰好拥有完美条件的“地球2.0”,仿佛在跟我们玩捉迷藏。

结语

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