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[科學新知] 尋找「地球雙胞胎」的史詩式探索之旅 [複製連結]

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1995年10月6日，在意大利佛羅倫斯舉行的一場科學會議上，兩名瑞士天文學家發表了一項改變人類對太陽系以外宇宙認知的重大發現。瑞士日內瓦大學的米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）與其博士生迪迪耶·奎洛茲（Didier Queloz）宣布，他們偵測到繞行恆星的一顆行星，而該恆星並不是太陽。

該顆恆星名為飛馬座51（51 Pegasi），位於飛馬座，距地球約50光年。其伴星「飛馬座51b」的特性顛覆教科書中對行星的既有認知。

這是一顆氣體巨星，質量至少為木星的一半，繞行母星一圈僅需四天多。它與繞行母星的距離僅為地球與太陽距離的二十分之一，遠在水星軌道之內，其大氣層如同熔爐，溫度高達攝氏1,000度（華氏1,830度）。

馬約爾與奎洛茲觀察到，飛馬座51的光譜條碼每4.23天規律地前後移動，這是恆星受到一顆未被直接觀測到的伴星引力牽引而產生擺動的明確訊號。

在排除其他可能性後，兩名天文學家最終確認，光譜變化是由一顆氣體巨星在近距離繞行類太陽恆星所造成。

他們的研究刊登於《自然》期刊，封面標題為：「飛馬座有行星？」

這項發現令科學界感到困惑，《自然》封面上的問號也反映出初期的懷疑態度。

這是一顆被認為存在的巨型行星，緊鄰其母星，但在如此炙熱的環境中，當時並無已知的形成機制可解釋這樣的天體如何誕生。

「熱木星」（Hot Jupiters）具有多種顏色與大小，其中最小的一顆，其尺寸約與太陽系中的木星相當

儘管其他研究團隊在數週內確認該訊號，但對其成因的疑慮持續近三年，最終才被排除。

飛馬座51b不僅成為首顆被發現繞行類太陽恆星的系外行星，也代表一種全新類型的行星。此後，「熱木星」（Hot Jupiter）一詞便用來形容這類行星。

這項發現如同打開了一扇門，隨之而來的是大量新發現。過去30年間，科學家已編錄超過6,000顆系外行星及候選天體。

這些行星的多樣性令人驚嘆：不僅有熱木星，還有軌道週期不到一天的「超熱木星」；如《星球大戰》中塔圖因般繞行雙星的世界；體積大於木星但質量極低的「超蓬鬆」氣體巨星；以及一連串緊密在軌道排列的小型岩石行星。

飛馬座51b的發現引發了一場革命，並於2019年為馬約爾與奎洛茲贏得諾貝爾獎。

如今，科學家已能推論大多數恆星皆擁有行星系統——然而，在數千顆已知系外行星中，尚未發現一個與太陽系相似的行星系統。

尋找「地球雙胞胎」——一顆在大小、質量與溫度上皆類似地球的行星——仍是現代探索者持續追尋的目標。

雖然我們的探勘不如過去地球探險家般驚險萬分，但我們仍有機會造訪世界各地偏遠地區的壯麗高山天文台。

我們是一個國際系外行星獵人聯盟的成員，負責建造、操作並維護「Harps-N」光譜儀。

該儀器安裝於位於加那利群島拉帕爾馬島（Canary Island of La Palma）的意大利伽利略國家望遠鏡（Telescopio Nazionale Galileo）上。

這套精密設備能夠粗暴地中斷星光的旅程——這些星光可能以每小時6.7億英里（約時速10.8億公里）的速度穿越宇宙，歷經數十年甚至數千年才抵達地球。

每一個新訊號都有可能讓我們更接近理解類似太陽系的行星系統是否普遍——背後的可能是，有一天我們終將偵測到另一顆類似地球的行星。

系外行星研究的起源

直到1990年代中期，人類所知的行星系統僅限於太陽系。

所有關於行星形成與演化的理論，皆建立在這九顆行星的極為有限資料上（2006年，冥王星被降級後，行星數量減為八顆，國際天文學聯合會當時通過新的行星定義）。

這些行星僅繞行銀河系約1,000億顆恆星中的其中一顆。而宇宙中可能存在至少1,000億個星系，這一事實更突顯人類對宇宙的無知。

這就像外星人試圖了解人類的本性與行為，卻只研究住在同一棟房子裡的一群學生。

我們的銀河系只是宇宙中約1,000億個星系之一，擁有巨大的系外行星潛力

但這並未阻止歷史上一些最偉大的思想家對宇宙之外的猜測。

哲學家伊比鳩魯（Epicurus，西元前341–270年）在寫給希羅多德（Herodotus）的信中曾說：「世界是無限的，有些像我們的世界，有些則不然。」

這並非基於天文觀測，而是源自他的原子論哲學。

他認為，若宇宙由無限數量的原子構成，那麼不可能沒有其他行星。

他也清楚意識到這可能意味著其他地方可能孕育生命：「我們不應假定所有世界的形狀必然相同。在某些世界中，可能存在動植物及我們所見萬物的種子；而在另一些世界中，這些事物則可能完全不存在。」

與此同時，希臘哲學家亞里士多德（Aristotle，西元前384–322年）則提出地心宇宙模型，認為地球靜止不動，位於宇宙中心，月亮、太陽與已知行星皆繞地球運行。

對亞里士多德而言，太陽系即是整個宇宙。他在《論天》（On the Heavens，西元前350年）中主張：「因此，不可能有多於一個世界。」

這種認為行星在宇宙中極為稀有的觀念延續了兩千年。

20世紀初，著名數學家、物理學家與天文學家詹姆斯·金斯（Sir James Jeans）於1916年提出潮汐假說，他認為行星是由兩顆恆星近距離掠過時，彼此引力拉出氣體流，這些氣體後來凝聚成行星。由於宇宙空間極為廣闊，這類近距離掠過事件極為罕見，金斯因此認為行星必定非常稀有——甚至如其訃聞所述：「太陽系可能是宇宙中唯一的行星系統。」

然而，人類對宇宙的理解隨後已逐漸改變。

1920年，美國天文學家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）與希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）在華盛頓特區史密森自然歷史博物館（Smithsonian Museum of Natural History）舉行的「大辯論」中，針對銀河系是否為整個宇宙展開爭論。

證據逐漸傾向柯蒂斯的主張————銀河系只是眾多星系之一。

這項認知——宇宙不僅包含數十億顆恆星，還包含數十億個星系，每個星系都包含數十億顆恆星——開始動搖過去對行星稀有性的悲觀預測。

1940年代，科學界的共識出現重大轉變。

首先，金斯的潮汐假說未能通過科學檢驗。主流理論轉向認為行星形成是恆星誕生的自然副產品，每顆恆星都有可能擁有行星系統。

系外行星「飛馬座51b」是人類首次在太陽系以外偵測到的行星

1943年，有科學家宣稱在蛇夫座70（70 Ophiuchus）天鵝座61C兩顆肉眼可見的近距離恆星周圍發現行星。

然而，這些訊號後來被證實為誤判，極可能是當時望遠鏡觀測精度不足所致。

儘管如此，這些主張仍深刻影響了行星研究思維。人們開始認為，銀河系中存在數十億顆行星的可能性是真實且可科學探討的。

對我們而言，最能突顯這種思維轉變的，是美國天文學家亨利·諾里斯·羅素（Henry Norris Russell）於1943年7月在《科學人》（Scientific American）撰寫的一篇文章。

早在20年前，羅素曾預測行星「在恆星中應該很少出現」；但此時他的文章標題已改為《人類中心主義的消亡》，導語寫道：「新發現顯示，銀河系中可能存在數千個有生命的行星。」

值得注意的是，羅素不僅預測行星的存在，更預測「有生命的行星」。燃眉之問是：它們在哪裡？這個問題，直到半世紀後才開始有答案。

如何探測系外行星？

當我們透過位於拉帕爾馬島、由意大利建造的伽利略望遠鏡，使用「Harps-N」光譜儀觀測無數恆星時，很難不驚嘆自1995年馬約爾與奎洛茲宣布發現飛馬座51b以來，人類在系外行星研究上的進展。

如今，我們不僅能有效測量類木星行星的質量，甚至能偵測到數千光年外的小型行星。自2012年加入「Harps-N」合作計畫以來，我們得以近距離參與小型系外行星科學的前沿探索。

另一個重要里程碑出現在飛馬座51b被發現四年後。

當時，加拿大籍哈佛大學博士生大衛·夏邦諾（David Charbonneau）偵測到另一顆已知系外行星的凌日現象（transit）——這是一顆名為HD209458b的熱木星，亦位於飛馬座，距地球約150光年。

凌日現象指的是行星在恆星前方經過，從觀測者角度看，恆星星光會短暫變暗。

凌日技術不僅可用於偵測系外行星，還能測量行星半徑。

透過持續觀測恆星亮度，並等待因行星通過而造成的光度下降，科學家可推算行星大小。遮蔽星光的程度取決於行星半徑，例如：若由外星觀測者觀察，木星會使太陽亮度降低約1%，而對地球來說，這種影響會減弱一百倍。

迄今為止，透過凌日技術發現的系外行星數量已是「光譜條碼技術」（即瑞士天文學家最初用來發現飛馬座51b的徑向速度法）的四倍。

儘管如此，徑向速度技術仍廣泛應用，包括我們目前的研究，因為它不僅能偵測行星，還能測量其質量。

當行星繞行恆星時，會施加引力，使恆星產生週期性擺動，從地球觀測者角度看，恆星的速度會隨之變化。徑向速度技術透過反覆測量恆星的速度，尋找穩定的週期性擺動，以此判斷是否存在行星。

「Harps-N」光譜儀安裝在拉帕爾馬島的伽利略國家望遠鏡上

然而，這些速度變化極其微小。

舉例而言，地球對太陽的引力僅使其速度改變每秒9公分（約3.5英吋）——比烏龜還慢。為了以徑向速度技術偵測行星，我們必須測量距離地球數兆英里外恆星的微小速度變化。

我們所使用的尖端儀器堪稱工程壯舉。

最新的光譜儀，如「Harps-N」與「Espresso」，能精準測量速度變化至每秒不到一公分的等級——儘管仍不足以偵測真正的地球雙胞胎。

然而，徑向速度技術目前仍受限於地面望遠鏡觀測，且一次僅能觀測一顆恆星；相較之下，凌日技術可應用於太空望遠鏡，例如法國的Corot（2006–2014）、美國太空總署的 Kepler（2009–2018）與TESS（2018年至今）任務。

這些太空望遠鏡已偵測到數千顆多樣化的系外行星，我們可以更輕鬆地從太空測量恆星亮度，並且可以同時測量多顆恆星的亮度。

儘管兩種技術在偵測成功率上有所差異，科學家仍持續發展兩者。結合使用這兩種方法，可同時獲得行星的半徑與質量，進一步開啟研究其組成與結構的多種可能性。

為了估算已發現系外行星的可能組成，我們通常先假設小型行星與地球類似，由富含鐵的核心、較輕的岩石地函、部分地表水與薄層大氣所構成。

透過質量與半徑的測量，我們可以建立各種可能的內部結構模型，並估算各層厚度。

這項研究仍在持續發展中，而宇宙則不斷以多樣化的行星類型回應我們的探索。

我們已觀測到岩石行星被撕裂的證據，以及暗示過去曾發生碰撞的奇特行星排列。

目前已在銀河系各處發現行星，從位於銀河中心區域、距地球近28,000光年的 Sweeps-11b，到距離僅4.2光年的比鄰星（Proxima Centauri）周圍的行星，範圍廣泛。

尋找「另一個地球」

2013年7月初，我（克里斯多福·沃森）首次前往拉帕爾馬島，操作剛啟用不久的「Harps-N」光譜儀。為了不出差錯，我的筆電（手提電腦）裡塞滿了試算表、圖表、操作手冊、簡報與筆記。其中一份剛收到的三頁文件標題為《機會目標觀測特別指示》（Special Instructions for ToO，ToO為Target of Opportunity）。

文件開頭寫道：「執行委員會已決定，應將最高優先權賦予此目標。」

該目標是一顆疑似繞行Kepler-78的行星候選體。Kepler-78 是一顆位於天鵝座、距地球約125光年，略小且較冷的恆星。

讀下去，我看到這樣的描述：「7月4日至8日觀測……Chris Watson」，並列出10個觀測時段——每晚兩次，每次間隔精確為4小時15分鐘。

當我在撰寫本文時重新翻閱這些筆記，發現我名字上方列的是迪迪耶·奎洛茲。

當時，他還未獲得諾貝爾獎。

克卜勒78b並不比地球大很多，但它是一個極其炎熱的世界，繞行速度非常快

這顆行星候選體最初由開普勒太空望遠鏡（Kepler）發現。該望遠鏡的任務是搜尋銀河系中如地球般小型的系外行星。

在這個案例中，開普勒偵測到一顆凌日行星候選體，其半徑估計為地球的1.16倍（±0.19），顯示可能發現了一顆與地球大小相近的行星。

我當時在拉帕爾馬島，利用徑向速度技術測量該行星的質量。結合開普勒提供的半徑數據，便可推算其密度與可能的組成結構。

翻閱當時的筆記，我寫道：「希望質量誤差控制在10%以內，以便能準確推估其平均密度，進而判斷其是否類似地球、富含鐵（如水星），或含有大量水分。」

在為期97天的觀測計畫中，我們團隊對克卜勒78（Kepler-78）進行81次曝光，其中我負責當中10次。期間，我們得知一個由美國主導的團隊也在觀測這顆潛在行星。秉持科學精神，雙方達成協議，同步提交各自的獨立研究結果，並同時公開彼此的發現。

在約定日期，雙方如同「交換囚犯」般互換結果，結果一致。我們在數據誤差範圍內，對該行星的質量得出了相同的結論。

該行星的最可能質量為地球的1.86倍。當時，這使克卜勒78b（Kepler-78b）成為首顆質量測量精確、且體積最小的系外行星。其密度與地球幾乎相同。

但相似之處僅止於此。

克卜勒78b的「一年」僅持續8.5小時。這也是我當時被指示每隔4小時15分鐘觀測一次的原因——這正是行星位於軌道兩側、恆星擺動幅度最大的時刻。我們測得恆星以每秒約2公尺（約6.6英尺）的速度前後擺動，速度僅相當於慢跑。

Kepler-78 b 的極短軌道週期意味著其表面溫度極高，足以使所有岩石熔化。儘管在大小與密度上，這顆行星是當時最接近地球的系外行星，但除此之外，它是一個極端炙熱的熔岩世界，遠離我們所熟知的宜居條件。

2016年，開普勒太空望遠鏡再度取得重大突破。

在巨蟹座方向發現一個擁有至少五顆凌日行星的行星系統，母星為類太陽恆星HIP41378。這項發現令人振奮的原因在於行星的位置：大多數已知凌日行星都位於比水星更靠近母星的軌道上（這與我們的偵測能力有關），但該系統中至少有三顆行星的軌道半徑超過金星。

我們決定使用「Harps-N」光譜儀測量HIP41378系統中五顆凌日行星的質量。

然而，經過一年多的觀測後，我們意識到僅靠一套儀器無法解析這組複雜的訊號。其他國際團隊也得出相同結論。於是，與其競爭，我們選擇攜手合作，組成一個至今仍持續運作的全球合作聯盟，歷年來已累積數百筆徑向速度數據。

宇宙中存在大量系外行星，其中一些位於其恆星的宜居帶內

目前，我們已成功測得該行星系統中多數行星的質量與半徑。

然而，研究這些行星仍是一場耐心的長期戰。由於這些行星距離母星較遠，凌日現象與恆星擺動的週期也相對較長，因此需耗費數年時間、累積大量數據，才能深入了解這個系統。

但這樣的努力是值得的。

這是首個在結構上開始接近太陽系的行星系統。

儘管這些行星比太陽系的岩石行星略大、質量略高，但它們與母星的距離相仿，有助於我們理解宇宙中行星系統的形成機制。

系外行星探險者的終極目標

經過三十年的觀測，已發現大量不同類型的行星。

最初發現的是「熱木星」，這類大型氣體巨星靠近其母恆星，因為凌日現象較深、徑向速度訊號較強，是最容易被偵測的行星。

儘管最早發現的數十顆系外行星都是熱木星，但如今我們知道，這類行星其實非常罕見。

隨著儀器技術進步與觀測數據累積，科學家陸續發現一類全新的行星，其大小與質量介於地球與海王星之間。儘管我們已知曠日累積的數千顆太陽系外行星，至今仍未發現真正類似太陽系的行星系統，也尚未找到真正類似地球的行星。

我們或許會因此認為地球是獨特的行星，位於一個獨特的行星系統中。

儘管這仍有可能為真，但機率不高。

更合理的解釋是，儘管我們擁有先進的天文技術，在這個浩瀚無垠的宇宙中，我們偵測類地行星的能力仍相當有限。

對許多系外行星研究者而言，包括我們在內，尋找真正的地球雙胞胎仍是終極目標——一顆質量與半徑與地球相近的行星，繞行一顆類似太陽的恆星，距離也與地球與太陽的距離相仿。

儘管宇宙充滿多樣性，擁有許多與地球截然不同的行星，發現真正的「地球雙胞胎」，仍是尋找已知生命形式的最佳起點。

目前，徑向速度法——也是首顆系外行星的發現方法——仍是最有可能找到這類行星的技術。

距離那項獲得諾貝爾獎的發現已過三十年，開創系外行星探索的先驅迪迪耶·奎洛茲，如今正領導首個專門以徑向速度法尋找類地行星的觀測計畫。

一項大型國際合作正在打造專用儀器「Harps3」，預計今年稍後安裝於拉帕爾馬島的艾薩克·牛頓望遠鏡（Isaac Newton Telescope）。根據其性能，我們相信十年的觀測數據應足以發現首顆「地球雙胞胎」。

除非我們的地球真的如此獨一無二。

本文改編自發表在知識共享網站《對話》（The Conversation）的英文原文，並按共享創意特許條款（Creative Commons licence）重新發布。

資料來源 : BBC
https://www.bbc.com/zhongwen/articles/c7v143v1780o/trad

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