太阳系外还有别的“地球”吗？过去几十年的时间里

过去几十年的时间里，天文学家已经精确定位了超过1800颗系外行星。寻找系外行星采用的传统技术均为间接方法，例如微引力透镜效应技术和凌星法。上个月，美国宇航局宣布成立了一个寻找外星生命的研究联盟，而几周前，研究人员首次测量了某个系外行星的可见光光谱。最近，另一组西班牙天文学家直接拍摄到了一颗“超级木星”规模的系外行星。

这颗巨大的行星编号为VHS 1256b，据估计其年龄只有1.5亿年至3亿年，质量是木星的11倍。它围绕一颗红矮星运动，距离太阳系只有40光年。该西班牙研究小组发表的一份报告称，这个系外行星的运行轨道是地球轨道的100倍，是木星轨道的20多倍。这个研究小组的成员来自于西班牙加那利群岛天体物理研究所、西班牙天体生物学中心和卡塔赫纳理工大学。发表该研究的第一作者巴托兹·高沙说，“VHS 1256b非常年轻，它的大气层依旧相对温暖，大约1200摄氏度。它的光亮强度也足够高，因此我们能够使用欧洲南方天文台的VISTA望远镜观察到它。”

VHS 1256b非常接近我们，使得天文学家能够研究它的大气层。它放出的光线主要是红外线，在近红外波段观测时呈现亮红色。另一名研究成员维克托·贝加说，“我们在它的大气层中发现了水蒸气和碱金属的踪迹，这在此类型行星中非常普遍。然而我们还发现了不同寻常的物质——甲烷。”考虑这种情况，以及它与太阳系的距离，VHS 1256b应该不属于科学家们所定义的宜居行星。“VHS 1256b的母星是一颗处在小质量恒星和褐矮星分界点的红矮星，通过对它的研究，我们精确地确定了这个行星系统的年龄和距离。”西班牙天体生物学中心的科学家玛丽亚·欧索里奥说，“VHS 1256b是科学家迄今为止为数不多的掌握了其诸多参数的系外行星。”

在不断拍摄近乎实时的地球图像并传回地球。凯恩获取这些图像并将其像素从400万像素降低到只有几个像素，让画面几乎完全无法辨识，然后在这样的图像基础上进行研究。

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系外行星：所有围绕太阳以外恒星运转的行星都叫做（太阳）系外行星。

白矮星：一种体积远小于我们的太阳、跟地球差不多大的恒星。几乎所有正常恒星最后都会变成白矮星，对于我们的太阳，这种变化将会发生在50亿年之后。

光谱仪：一种将光分解成彩虹一样的若干颜色的仪器。每种颜色对应于某种波长的光，因为每种元素只发射和吸收对应于该元素的特定波长的光，光谱仪可以测量产生光的物质中存在哪些元素。

陨石：一种来自外太空的石头或者金属物体，在穿越地球大气的过程中幸存下来，击中地球的陆地或者水域表面。陨石起源于小行星之间的碰撞。

在所有科学家希望回答的问题中，很少有问题能像“在我们的地球之外，是否有其他有生命的世界？如果是，有像人类一样拥有智慧的外星生物吗？”一样激动人心。宇宙中可能存在其他生命，是我八、九岁那会开始对天文着迷的原因之一。像很多孩子一样，我在游览本地（美国纽约市）天文馆的过程中获得良多，也痴迷于科幻电视和电影。我仍然记得我的英雄闪电戈登和扎尔科夫医生与残忍的铭在铭的母星蒙戈的大战。（译者注：闪电戈登是美国上世纪三十年代的一个太空冒险漫画故事。）

下一代空间望远镜：詹姆斯·韦伯空间望远镜与1990年发射升空的哈勃空间望远镜的对比图。詹姆斯·韦伯空间望远镜预计将在2019年发射升空。

六十年后的今天，我作为一名天文学家，已经花费几乎整个职业生涯的时间去调查宇宙中生命问题的相关现象。我最近的研究聚焦于行星系统的起源和演化，包括我们最熟悉的行星系统——太阳系。大部分天文学家预想生命只能起源于行星，也许还是大小、组成（构成行星的材料）和温度类似地球的行星。地球、金星、火星和水星被称为“岩态”行星，因为它们几乎全部由固态物质构成，只有少量的气态物质（比如我们大气中的气体）。

本文的主要目的，是描述天文学家现在如何可以第一次测量构成围绕太阳以外其他恒星运行的岩石世界的“基本构成单元”成分。如果其成分与地球类似，那就可以合理地推断这些世界也许孕育着外星生命，也许还是与地球生命差别不大的生命形式。

在我年轻的时候，我们还不知道太阳系外存在任何别的行星，天文学家们讨论了如何寻找“系外”行星的技术。一种很显然的寻找系外行星的办法就是“直接成像”，也就是可以看到和拍摄围着其他恒星转的行星的照片，就像在夜空中可以看到金星和木星一样，用合适的仪器可以拍摄这些系外行星的照片（见图1）。当无法直接拍摄系外行星的照片时，天文学家可以改换其他技术，即通过行星对其绕转恒星的影响来揭示行星的存在。比如说，假如从地球上的望远镜看过去，行星正好从其恒星的前方经过，行星会挡住一小部分恒星光芒，这种变暗是可以测量的。在我们太阳系中，偶尔也会有从地球看过去金星从太阳前方经过的现象。

目前天文学家正在使用的、用来揭示地外岩石世界组成的最佳技术，不是较老的传统技术，而是包含了新东西。本文将描述这一使天文学家感到非常惊奇的新技术。通过分析来自恒星的光，我们可以学到更多有关这颗恒星是由什么构成、是否有行星围着它转动的知识。最大的惊奇也许是，一百年前，在天文学家懂得如何解释星光之前，这种技术就产生了首批关于系外行星系统存在的证据。该行星系统围绕着一颗叫做范马南2的恒星，该恒星得名于发现它的天文学家阿德里安·范·马南（AdriaanVan Maanen）。天文学家花了近百年的时间才有足够的天文和技术知识来理解这一证据，并认识到范马南2被一个行星系统所环绕。

类似于活着的生物，恒星也有诞生、年老和死亡。我们的太阳正处于中年时期。它已经存在了46亿年，按照物理计算，它还会继续存在同样的时间，随后成为白矮星。现在的太阳具有30万个地球的质量，和100倍于地球的直径（直径是指通过某颗行星或恒星中心并向外延伸至表面的线段的长度）。太阳成为白矮星之后将仍有现在一半的质量，但它会变得很小，只有地球那么大（这就是为何这类恒星被称为“矮”星）。因为白矮星体积跟地球差不多大，质量却比地球大10万倍，它们非常致密且有强大的引力。如果你现在体重是100磅（约45公斤，译者注），在一颗典型的白矮星上，你的重量将会超过1000万磅。银河系中有很大一部分恒星将会以白矮星的形式度过晚年，范马南2就是一颗白矮星。

引力是自然界中的基本相互作用力之一。太阳系中的所有物体，太阳、行星、小行星都能感受到太阳系中其他物体的引力（拉扯）。如果白矮星由行星和类似我们太阳系小行星那样的小天体所围绕，那么行星的引力拉扯可能会改变小行星轨道，使得小行星非常靠近白矮星。在其强大引力的作用下，白矮星会将小行星撕扯成小块的岩石残骸。这些残骸先是进入环绕白矮星运行的轨道，形成类似土星环那样的环状结构。一段时间之后，这些绕转的残骸将会坠入白矮星。

我们在自然界见到的每一件东西，都是由叫做化学元素的92种独特的原子“积木”搭建起来的。一种元素的证认和命名依据于其原子核心也就是原子核的大小。氢是最简单和最轻的元素，铀是自然界中发现的最重的元素。使用一种可以将白光分解为彩虹一样的若干颜色的、叫做光谱仪的仪器，天文学家可以确定坠入白矮星的岩石残骸所来自的小行星由哪些元素组成。因此，找到围绕白矮星运行的岩石天体的化学组成是可能的。行星科学家相信我们太阳系中的水星、金星、地球、火星等岩态行星形成于46亿年前，是由大量类似现在在火星和木星轨道间运行的小行星的小天体汇集而成的。我们现在通过坠入地球的陨石来得到这些小行星的直接样品，陨石是很早以前由遭到碰撞的小行星产生的小碎片。

因此，通过将来自太阳系的火星、地球、月球和小行星的元素组成，与在很多白矮星大气中看到的残骸的组成相比较，天文学家现在可以回答“围绕太阳外其他恒星运行的岩石世界是否有类似于我们地球的化学组成，或者有非常不同的化学组成？”这一问题了。如果化学组成非常类似或者非常不同，那么这会是一个支持或者反对其他岩态系外行星上存在生命的可能性的重要的证据。

地球上含量最丰富的四种元素是铁、镁、氧、硅。天文学家使用分光镜对白矮星大气进行了研究，发现这四种元素同样主导了岩态系外行星的化学组成[3]。因此天文学家头一次可以确信地说，白矮星研究证明了大部分围绕恒星运行的岩石世界的化学组成类似于地球的整体化学组成。更详细的理解需要更进一步的研究，很可能需要使用位于行星际空间的望远镜。

在我们的行星上，组成的元素并不是均匀混合的。相反地，地球上大部分铁元素都深埋于地球的中心也就是地核中；位于地核上方的地幔则富含镁元素；最外层的地壳含有丰富的硅和铝。行星和较大的小行星在不同深度有不同化学组成的现象被称为“层化”。

通过光谱仪测量某些白矮星大气中残骸的化学组成，可以得出关于曾经环绕该恒星运行的岩石天体的结构细节。比如说，一颗名为NLTT 43806的白矮星大气中的物质含有格外多的铝和相对比较少的铁（NLTT 43806是名为NLTT的星表中的一颗恒星，NLTT星表是由天文学家威廉·鲁坦在二十世纪中叶编撰的）。我们可以将NLTT 43806大气中九种元素的含量与太阳系中包括陨石、地球上和月球表面的物质进行比较，通过这种方式，天文学家发现NLTT 43806中的化学组成类似于地壳和上层地幔的物质的混合[4]。这一结果可以由一颗曾经或者正在绕NLTT 43806转动的层化的地外行星来解释，这颗行星具有地壳、地幔和地核。

如果这颗行星遭受了强烈但并不是正面的碰撞，那么这种碰撞会剥离层化行星的部分外层结构。如果碰撞产生的岩石残骸随后落入NLTT 43806，那就可以解释在这颗白矮星大气中测量到的元素比例