矮行星系将改变人类对外星生命的寻找

阿莫里·崔奥德

几千年前，就有人推测地球之外有生命，这一想法可以一直追溯到希腊哲学家伊壁鸠鲁和德谟克利特的时代。没有记载的好奇无疑开始得更早。值得一提的是，当代人想要通过对太阳系外行星的研究寻找答案。早期的研究结果正在颠覆很多历史上的假设。

不久前，我们在剑桥大学和列日大学的研究团队报告发现了一颗附近的恒星，命名为TRAPPIST-1A，它有7颗与地球大小和质量都相仿的行星。这7颗行星都气候温和，意味着在适的大气和地质条件下，它们可能含有液态水。其中3颗行星刚好位于母恒星的宜居带，其接收的来自母恒星的能量，和地球接收的来自太阳的能量相差无几。

全球的媒体都在报道这一令人狂喜的消息。在很多方面，TRAPPIST-1星系不像是一个会有生命的地方：其母恒星发出的光仅仅是太阳的5%，质量仅仅是太阳的1/12，甚至没有木星大。TR APPIST-1被归类为超冷矮星，是现存的最小的恒星。

长久以来，人们认为寻找超冷矮星的宜居行星是在浪费时间。即使天文学家发现了外星系通常跟太阳系不同，人们仍然保留过去的态度。在我们看来，地球和太阳如此正常和宜居，以至于我们被它们的属性蒙蔽了双眼。因此，很多项目的目标是找到一颗地球孪星：一个大小、质量和地球一样大，绕一颗像太阳的恒星运转，相隔的距离也是地球到太阳的距离。探测到这样一个星系还要等几十年。

在努力回答“别处是否有生命”这个问题时，集中精力寻找地球孪星被认为是一条安全途径，因为我们认为相似的条件会导致相似的结果（至少部分时候是如此）。但现在，考虑到现有行星的巨大数量和种类，这个目标就太过保守，这是TRAPPIST-1星系带给我们的部分启示。有关研究应该是发现未知的事物。找到一颗有生命的地球孪星，会是一次巨大的科学成功，但是几乎不会提供整个宇宙中生物出现的知识。

我们的目标更大，我们要寻找的答案是“在别处找到生命的概率有多大”。词汇的简单变化意味着，我们应该也探索跟太阳系不同的行星系统。如果地球真是唯一宜居的样板，是会令人吃惊和失望的。类似太阳的恒星，占银河系中恒星的15%，而且其中的一半多存在于双星系中，因为跟太阳系的现有条件相去甚远而不予考虑。因此，寻找地球孪星，在本质上只涵盖了所有结果中的一小部分。

一旦我们重新设定目标，去测量生物出现的总体概率，超冷矮星就成为明显的目标。银河系中一半恒星的质量小于太阳的1/4。初步结果表明，岩石常见于绕低质量恒星运转的行星上，包括超冷矮星系，可能在类似太阳的恒星的轨道上更常见。

超冷矮星也开辟了一条更容易的途径，用于研究气候温和的类地行星。超冷矮星的科学优势源于它们的恒星特质，源于如何确认太阳系外行星，源于我们想要如何研究大气层。

发现TRAPPIST-1的行星是在它们运行到母恒星前面时，会投下一个影子，影子的深度告訴我们多大的恒星表面被行星遮住;行星越大，影子越深。因为超冷矮星如此小，以至于地球大小的行星运行到TRAPPIST-1A前面时，其效果显著，相当于运行到太阳前面时的80倍。

发生这一现象时，行星大气层里的任何气体都会改变星光的样子。在超冷矮星周围，大气特征会增强80倍。TRAPPIST-1行星的大气成分，可以通过现有的和未来的设施探测到，比如将在2018年发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜，而研究地球孪星还需要几十年的技术发展。提取可靠的大气信号需要观察几十次凌星现象。因此，TRAPPIST-1有很大的优势。微小的超冷矮星的周围，温和的行星凌星现象隔几天到两个星期就会发生一次，而不是像地球这样的行星，一年只有一次。

宇航员，包括我们自己，都已经开始研究其他恒星周围的巨型行星的成分，探测诸如水、一氧化碳、甲烷和氰化氢等分子。随着TRAPPIST-1星系的发现，我们可以把探索延伸到类似地球大小的行星上。首先要确定大气中温室气体的构成，判断表面条件是否有利于液态水的存在。然后我们将寻找生物产生气体的迹象，比如类似地球上的生物体改变了地球大气成分的方式。

但还是很难宣称发现了生命。我们不能依赖于检测一种气体，而是需要检测几种气体，并且需要测量它们的相对丰度。此外，我们必须非常小心误判。例如，反复的恒星耀斑可以在没有生命的大气中聚集氧气。TR APPIST-1星系的丰度是一笔重要的财富，因为我们可以把它的行星和其他行星进行比较。所有7颗行星源自同一个星云变化，它们有着相似的历史：承受太阳耀斑和陨石撞击。与其他只包含一两个温和的类地行星的星系相比，TRAPPIST-1星系更容易剔除误判。

更重要的是，TRAPPIST-1不是一次性的发现。超冷矮星如此常见，所以有无数类似的星系离我们很近。TRAPPIST望远镜是用来发现TRAPPIST-1行星的设施，恰好是更雄心勃勃的行星测量设施的雏形，即SPECULOOS望远镜（寻找形成超冷矮星日食的宜居行星的望远镜），已经开始运行。我们预期，将来5年里，在超冷矮星周围会发现更多的类似地球大小的有岩石的行星。有了这个样本，我们会探索这种行星的很多气候类型。我们会发现多少种不同类型的环境呢？

使用SPECULOOS望远镜，我们将着手解决科学家提出的异议，即超冷矮星周围行星的宜居性。一种观点是，这样的行星会被潮汐锁定，这意味着它们有一面是永久的白天或黑夜。靠近小恒星轨道运转的行星可以刺激彼此的轨道，不稳定性主要源于此。超冷矮星频繁燃烧，发射出紫外线和X 射线，可能会把行星上的海洋蒸发掉。

这些观点没有阻止我们，而是激发了我们。现在我们可以评估真实的条件，探索相反的论点，即恒星周围像地球大小的行星，比如TRAPPIST-1，事实上可能是宜居的。海洋和厚厚的大气层可以减轻昼夜的温差。在相近的行星轨道上，潮汐间的相互作用会为生物提供能量。一些模型显示，围绕超冷矮星形成的行星最初拥有的水比地球多。紫外线辐射有助于生物生成相关化合物……我们是乐观的。

通过研究围绕超冷矮星运行的行星，不论发现什么，我们都不会失败，只会学到知识。如果我们能够确定在一颗类似于TRAPPIST-1星系中的行星上存在生命，就可以开始测量宇宙中生物出现的概率。在10年里，我们可能会有第一条有关外星生物的线索。如果发现哪一个行星都不宜居，或者是宜居却贫瘠，我们会明白生命是稀少而又珍贵的，也会证明寻找地球孪星的途径是正确的，不会耽搁。

不论哪种情况，我们都会定义我们存在的背景：是芸芸众生之一，或是离群索居者。这两种可能都震撼人心，都惊心动魄。