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作者：郑晓晨（北京天文馆助理研究员）
近日，中国科学家对月壤研究的新发现解锁了月球的无限可能——能种菜吗？能浇花吗？人类能喝吗？这一发现成功地唤起了人们对移居地外行星的兴趣。事实上，在过去的30年里，科学家们从未停止寻找宜居星球，目前已经探测到了5000多颗太阳系以外的行星。在这些浩如烟海的外行星中，有热木星群体，也有备受期待的宜居行星候选人。承载地外文明的地球2.0也在隐藏吗？
1 搜索第二个太阳系
遂古之初，谁传道？上下未形，为什么要考？谁能极其黑暗？冯翼唯像，怎么知道？早在2000多年前的战国时期，楚国诗人屈原就在《天问》中阐述了他对天地玄黄和宇宙荒野的思考，甚至大胆猜测了世界之外的世界。2000余年后的今天，我们仍在探讨，孕育了生命、文明的太阳系，是否是茫茫宇宙间，独一无二的存在？
据估计，在可观的宇宙中，包括银河系在内的星系高达1000亿，而人类赖以生存的主星太阳只是银河系1000亿颗恒星中的一颗。因此，很难相信，除了宇宙中像灰尘一样小的太阳系外，没有其他恒星系统能够孕育行星并承载生命。
然而，由于观测技术的限制，长期以来，我们对宇宙的认知确实如此——孕育了包括地球在内的八颗行星的太阳系，这是人类只知道的行星系统，满足了生命诞生的条件。
这种认知在1992年有所改变。今年，天文学家沃尔兹森和费雷欧首次发现了太阳系以外的类地行星。但它们绕过的主星只是恒星的残骸——毫秒脉冲星PSRB1257 它的旋转速度高达每秒161圈，与人类理想中的第二个太阳系相去甚远。
幸运的是，三年后，两位瑞士天文学家马约尔和奎洛兹发现了第一颗与木星相当的气态巨星，它被命名为飞马座51b，距地球约50光年。
这一发现点燃了天文学界搜索第二个太阳系的热情。此后，系外行星探测正式拉开序幕。
然而，飞马座51作为人类发现的第一颗环绕太阳星运行的系外行星b然而，它与太阳系中的八颗行星大不相同。虽然它的质量和大小与木星相同，但它的旋转周期只有4天左右，这不仅与木星约12年的旋转周期大不相同，而且远低于太阳系中任何行星的旋转周期。
事实上，在早期的系外行星探测中，类似于飞马座51b这种短周期气态巨星经常出现。天文学家统称它们为热木星。热木星的数量曾经让天文学家怀疑，在宇宙中，这些神秘的热木星是行星的主流，而太阳系中的温度和冷行星只是行星群体中的一个特例。
但是，在了解了行星探测的基本手段后，这个问题就迎刃而解了。
2 在太阳系外发现了5000多颗行星
探测太阳系外行星最直观的方法就是直接观察。但众所周知，行星本身并不发光，我们看到的是它们反射出恒星的光。因此，当直接观察时，行星微弱的反射光很可能会消失在主星耀眼的光线中，很难区分。理论上，即使日冕仪能遮挡主星的亮度，突出行星的存在，也很难实施，只适用于远离主星影响的行星群体。
间接探测比直接成像更常见，是搜索行星的重要途径。其中，最有效的系外行星探测方法是凌星法。据统计，大约70%的系外行星是通过这种方法搜索的。
凌星法，利用行星绕主星旋转，将定期阻挡主星的光线。根据光变的深度、周期和宽度，监测主星光度的周期性变化，可以推测未知行星的相对大小和轨道信息。通常，当大行星被小主星包围时，遮光面积大，光变化明显。以太阳系为例，木星凌日的光变深度约为1%，而地球凌日的光变深度仅为0.0084%。
还有一种常见的行星探测方法，即视频速度法——当行星绕着主星旋转时，主星也会绕着两者之间的纹理小幅旋转。如果两者的旋转平面垂直于视线方向，在地球上的观察者看来，主星将周期性地转向地球，并偏离地球，这对应于谱的周期性蓝色和红色移动。因此，我们可以推断出行星系统中行星的质量等重要信息。
值得一提的是，飞马座51b，或者后来探测到的其他热木星，大多是通过视频速度法探测到的，这种方法对大质量、短周期的巨星特别敏感。可以看出，宇宙中的热木星并不大，但早期的行星观测仅限于精度的选择效应。
近年来，微重力透镜法在行星观测方面异军突起。与在短周期行星群体中占据探测优势的凌星法和视频速度法相比，微引力透镜法可谓剑走偏锋，在冷行星探测中处于领先地位。微引力透镜法基于爱因斯坦广义相对论中质量导致光偏差的理论——当一个拖家带口的行星系统通过人类监测的背景天体视线前方时，其质量会导致背景天体的光线短时间聚集。通过分析背景天体的单光增强效应，可以获得行星系统中行星的质量和轨道信息。
此外，随着望远镜探测精度逐步提升，天体测量法作为行星探测的一种补充手段，也颇受关注。基于行星对主星的扰动，这种探测方法的原理与视线速度法相似。然而，与主要监测行星引起的视频速度法相比，天体测量法则关注行星引起的主星位置变化。由于天体测量方法对测量精度的要求很高，目前发现的行星数量并不多，但随着望远镜的检测精度逐渐接近微角秒级，天体测量方法在未来是可以预期的。
除了这些主流的探测方法外，探测系外行星的方法还包括计时法、亮度调制法、行星盘运动法等。到目前为止，已经有5000多颗太阳系外行星被认证，距离人类发现第一颗系外行星只有30年。
3 已知宜居行星不到100颗
在这些浩如烟海的系外行星中，是否有一颗与地球一样的行星，具备孕育生命的条件或正在孕育生命？
事实上，近年来，宜居行星候选人捷报频传。早在2016年，天文学家就发现了一颗类似地球的岩石行星，其质量略大于地球质量，属于超级地球，轨道周期约为11.2天，正式命名为邻星b。虽然比邻星B离主星只有日地距离的1/20，但它的主星——比邻星是一颗小而暗淡的红矮星，质量只有太阳质量的八分之一左右，光度只有太阳光度的千分之一。因此，小周期的比邻星B恰好位于液态水可持续的宜居带中，是已知距离地球最近的宜居行星候选人，也是未来人类可能次访问的系外行星。
到目前为止，在5000多颗被探测到的系外行星中，宜居行星的候选人不到100颗，其中有一些有趣的发现。例如，在距离地球约300光年的红矮星开普勒1649周围，发现了一颗公转周期约20天的行星开普勒1649c，它不仅幸运地位于主星的宜居带，而且是最接近地球大小的类地行星。
此外，距离地球约39光年TRAPPIST-在1系统中，还发现了7颗分布紧凑的类地行星，其中5颗与地球相当，另外两颗介于火星和地球之间。这七颗行星的公转周期从1.5天到19天不等，每两个相邻的行星轨道都处于共振状态，这很可能与行星轨道的内迁历史有关。根据TRAPPIST-1.在这个系统中，大约有3到4颗行星属于宜居行星候选人，这将是未来天文学家的焦点。
虽然我们从众多的系外行星中筛选出了一些所谓的宜居行星候选人，但与真正意义上的地球2.0相去甚远。毕竟，我们对宜居行星候选人的定义相当简单。我们只初步判断它是否是类地行星，是否位于恒星周围可以保持液体水的区域。
然而，一个能孕育生命的行星需要越来越严格的考虑：例如，行星表面的大气覆盖，因为行星大气的含量和成分会极大地影响行星的表面温度；例如，红矮星周围的宜居行星是否与主星潮汐锁定，这将决定行星的表面温度是否均匀分布；例如，行星磁场是否能抵抗带电颗粒的冲击，避免大气层剥离；另一个例子，主星环境是否温和，地外生命的诞生和进化是否有足够长的稳定时间。
4 更多的眼睛寻找地球2.0
寻找地球2.0.前面还有很长的路要走，但并非没有希望。30年前，人类仍然难以置信，他们可以从复杂的主星信号中提取微弱的行星信息。但30年后的今天，我们已经拥有了大量的行星数据。
就在我们的头顶，在这片星空中，眼睛好奇地看着宇宙，拓展了系外行星的未知地图。其中，有前辈凌星望远镜-开普勒、凌星系外行星巡逻望远镜、花费100亿美元的韦布太空望远镜、宽视场红外巡逻望远镜、行星猎人-系外行星特征探测卫星等。
这是寻找地球2.0的轰轰烈烈的旅程。中国科学家并没有缺席。在中国选定的候选空间发射任务中，探索地球2.0的项目突然列出，包括邻近宜居行星巡逻计划、地球2.0空间巡逻和发音计划。其中，近邻宜居行星巡逻计划将搜索太阳系附近32光年范围内100颗太阳恒星附近的宜居行星；地球2.0空间巡逻卫星计划将通过相对成熟的技术对银河系行星进行大规模普查，搜索太阳恒星周围的宜居行星，并结合微重力透镜搜索远离主星的冷行星，甚至那些被主星抛弃的流浪行星；寻找计划计划通过发送空间探测器直接成像来确认太阳系外的宜居行星，并评估其宜居性。
太阳系孕育了地球，成就了人类文明诞生的摇篮。在过去的很长一段时间里，太阳系也是我们唯一已知的行星系统。但现在，我们知道，在浩瀚的宇宙中，太阳系不是携带行星的孤独船。2019年，天马座51b的两名发现者，天文学家马约尔和奎洛兹获得了诺贝尔物理学奖，距离1995年他们探知第一颗气态巨行星仅仅过去了24年。
寻找“地球2.旅程才刚刚开始。
来源： 光明网-光明日报