3.2 人类如何寻找类似于地球的金发女郎行星？

学术界的最高荣誉是诺贝尔奖。遵照诺贝尔本人的遗嘱，诺贝尔自然科学奖只限定在3个学科：物理、化学、生理学或医学。换言之，所有其他学科的自然科学家，不管做出了多伟大的贡献，都无法戴上诺贝尔奖的桂冠。

为了弥补这个遗憾，香港的邵逸夫爵士在2002年设立了一个基金会，并于2004年开始颁发邵逸夫奖。邵逸夫奖也面向3个特定的学科，分别是数学、天文学、生命科学与医学。不少人都把邵逸夫奖称为东方诺贝尔奖。

迄今为止，关于系外行星的研究总共拿过两次邵逸夫天文学奖。第一次邵逸夫天文学奖颁给了我们在3.1节介绍过的米歇尔·麦耶和杰弗里·马西，以表彰他们在此领域实现了从0到1的突破。第二次邵逸夫天文学奖颁给了一个大科学项目的主管。正是在他的领导下，人类在系外行星探索领域实现了从1到10的飞跃。他就是美国天文学家威廉·博鲁基（图3.6）。

博鲁基并不是天文学专业出身，也没有拿过博士学位。1962年，他在威斯康星大学麦迪逊分校拿到了物理学硕士学位，然后加入了NASA⁽²⁾，为著名的阿波罗计划设计隔热板。此后，他一直在NASA工作，从事的也都是技术方面的研究。20世纪80年代末，博鲁基决定转行做科学，而他选择的研究方向正是系外行星。

我们在3.1节讲过，1995年，麦耶、奎罗兹师徒发现了第一颗绕主序星旋转的系外行星飞马座51b。20世纪90年代末，马西后来居上，找到了前100颗系外行星中的70多颗。但这100颗系外行星有一个共同的特点：它们几乎全都是类似于木星的大质量行星。这很容易解释：系外行星的质量越大，对恒星造成的影响就越大，所以就越容易被地球上的望远镜发现。

问题在于，大质量行星全是像木星这样的气态行星，而气态行星上无法存在生命。换句话说，要想搜寻外星生命，人类需要寻找的是类似于地球的小质量固态行星。

光找小质量固态行星是远远不够的，还有一个至关重要的因素是行星与恒星之间的距离。如果行星离恒星太近，其表面温度就会变得特别高；如果行星离恒星太远，其表面温度就会变得特别低。无论是哪种情况，都会让液态水无法存在。一颗行星要想拥有液态水，需要像地球一样，处于与恒星距离适中的宜居带内。天文学家把这种特别理想的、位于恒星宜居带内的小质量固态行星称为金发女郎行星（goldilocks planet）。

那怎么才能找到金发女郎行星呢？20世纪90年代中期，博鲁基想到了一个点子：把探测系外行星的望远镜送上太空。

其实博鲁基并不是第一个想把望远镜送上太空的人。早在20世纪中叶，就已经有人想到要把望远镜送上太空了，此人就是美国著名天文学家莱曼·斯皮策（图3.7）。

学生时代的斯皮策就已经和天文学界的一些传奇人物打过交道了。1935年，他从耶鲁大学本科毕业，然后跑到剑桥大学游学。在那里，他亲眼见证了钱德拉塞卡和爱丁顿之间的著名论战。回国后，斯皮策考入了普林斯顿大学，师从在2.2节介绍过的那个提出了赫罗图的罗素。1938年，他拿到了自己的博士学位。

“二战”期间，斯皮策离开了学术界，为美国海军工作。1947年，他又重返学术界，接替罗素出任普林斯顿大学天文台台长。就在他重返普林斯顿大学的前一年，斯皮策提出了一个在当时堪称惊世骇俗的点子：要把望远镜送上太空。

我举两个例子，你就能明白斯皮策提出的这个建造太空望远镜的点子，对当时的学术界而言到底有多疯狂了。在他提出这个点子后的第11年，苏联才把第一颗人造卫星送上太空；而他提出这个点子后的第22年，美国才把第一个太空望远镜送上天。换句话说，在科技日新月异的20世纪，人类竟然花了整整22年的时间，才把斯皮策的设想变为现实。

为什么要如此大费周章地把望远镜送上太空呢？为了回答这个问题，我得先给你科普一个天文学概念：大气窗口。

地球外围环绕着一个厚厚的大气层。一些遥远天体发出的光，若受到这个大气层的阻碍，有可能会到不了地球表面。这样一来，位于地球表面的望远镜就无法看到这些天体。

那什么光能到达地球表面，什么光又到不了呢？这取决于这些光的频率。图3.8就展示了各种频率的光穿越地球大气层的难易程度。可以看到，除了可见光、部分红外线以及无线电波以外，其他频率的光都会被地球大气层100%地吸收。为了便于理解，你可以把地球大气层想象成一座城墙，只在少数地点设了开口，对一些特定频率的光放行。这就是所谓的大气窗口。

由于大气窗口的存在，要想观测遥远天体发出的大部分红外线、紫外线、X射线和伽马射线，就必须把望远镜送上太空。即使是那些受地球大气层影响较小的可见光、部分红外线和无线电波，如果能在太空中进行观测，观测效果也会大大改善。

除了大气窗口，还有一个干扰因素，那就是大气湍流。简单地说，大气湍流就是地球大气发生的一些特别不规则的运动。大气湍流现象会对来自遥远天体的光产生严重的干扰。我们之所以觉得星星会眨眼，就是由于大气湍流的影响。

如果把望远镜放在地球表面，就得受制于大气窗口和大气湍流的不利因素。但要是能把望远镜送上太空，所有的问题都会迎刃而解。

关于斯皮策，最后再多说几句。终其一生，斯皮策都在致力于把大型光学望远镜送上太空。正是在他的领导和推动下，美国于1990年发射了历史上最有名的空间望远镜，即哈勃太空望远镜。为了纪念这位凭一己之力打开太空望远镜时代大门的天文学家，NASA把一个于2003年发射的大型红外太空望远镜命名为斯皮策太空望远镜。

言归正传。到了20世纪90年代中期，博鲁基意识到应该把探测系外行星的望远镜送上太空。这样一来，其探测能力就会大大增强，从而能探测到地面望远镜无法分辨的恒星亮度的微弱变化。也就是说，如果有一个专门探测系外行星的太空望远镜，就能系统搜寻那些亮度出现周期性缺口的恒星，进而利用凌星法来寻找小质量的固态系外行星。

到了21世纪，博鲁基的努力终于开花结果。由他担任首席科学家的一个研究团队，成功造出了一个专门探测系外行星的太空望远镜，也就是著名的开普勒太空望远镜（Kepler space telescope， KST，见图3.9）。

2009年3月7日，KST顺利发射，并被送上了预定的轨道。这是一个位于地球外侧、要花372天才能绕太阳转上一圈的椭圆形轨道。因为KST的公转周期大致比地球的公转周期少7天，所以它一直处于“尾随地球”的状态。

KST一直目不转睛地盯着天鹅座、天琴座和天龙座交界处的一个天区（图3.10），也就是图3.11所示的那个黄色圆锥区域。这个区域内大概有15万颗恒星。KST的任务就是时刻监视这15万颗恒星，看其中有没有哪些恒星的亮度出现周期性的缺口。

KST的工作原理相当简单。在数年时间里，KST每过30分钟就会给自己监视的这15万颗恒星拍一张照片，然后检查其中哪些恒星的亮度有改变。这样一来，它就可以把亮度存在U形缺口的天体挑出来。这些亮度有缺口的天体，就是有可能拥有系外行星的候选恒星。

确定候选恒星以后，研究人员会对它们进行持续跟踪。如果证实一颗恒星后来又出现3次亮度缺口，而且出现缺口的时间具有周期性，就可以确认此恒星拥有自己的系外行星。

可能你会问了：“这么做只能确定系外行星的存在，怎么知道它到底是不是我们要找的金发女郎行星呢？”答案是，可以用恒星亮度变化的细节来判断。

如果有一个类似于木星的大质量气态行星在恒星表面穿行，它会遮住比较多的恒星光芒，从而让恒星亮度出现比较大幅的下降。如果是类似于地球的小质量固态行星在恒星表面穿行，它只能遮住比较少的恒星光芒，从而让恒星亮度出现比较小幅的下降。不妨以地球为例。地球凌日时，大概能使太阳的亮度下降万分之一的量级。这意味着，如果KST发现某颗恒星的亮度存在一个变暗万分之一量级的周期性缺口，就可以断定它拥有一颗和地球差不多大小的系外行星。

此外，一旦确定了恒星亮度变化的周期，也就是系外行星绕恒星公转一圈的时间，就可以利用开普勒第三定律来估算出这颗系外行星与恒星之间的距离；再结合恒星质量和温度的数据，就可以确定这颗系外行星是否位于宜居带内了。

综合这两方面的因素，天文学家们就可以判断KST所找到的系外行星到底是不是金发女郎行星了。

最后，给大家展示一下KST的强大威力。图3.12展示了人类20多年来所发现的系外行星的数目。在2009年（也就是KST发射的那一年）以前，人类总共只发现几百颗系外行星（深蓝色长方形）。但到了2009年以后，人类一年发现的系外行星数目就达到成百上千颗（图中浅蓝色和橙色长方形）。截至2018年10月24日，天文学家们已经确认发现了3823颗系外行星，其中有2662颗都是KST发现的（图3.13）。由于这井喷式的大量发现，目前系外行星探索已经成为整个天文学最热门的研究领域之一。

我们已经为你介绍了著名的KST，3.3节，我们将为你介绍KST的一个最让人大跌眼镜的发现。