寻找美丽新世界(1)
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1897 年，法国画家保罗·高更失去了自己的女儿，贫病之中的他认为自己的人生也即将走到尽头，于是画了著名的《我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？》来对自己的人生进行总结。
从整个人类文明的角度来思考高更的三句生命之问，或许可以解释为：生命火种真的来自地球吗？我们是宇宙间孤独的存在吗？茫茫宇宙中还有没有我们可以居住的星球？
人類对行星的了解，曾经一度被限制在太阳系内。我们可以精确地计算太阳系内各个行星的轨道，可以用铅笔发现海王星。但是我们对太阳系内行星了解得越多，有一个问题就会越来越重要：行星，真的只在我们的太阳系中才有吗？早在18世纪的时候，人们就已经尝试过寻找太阳系外的行星了。只不过由于当时技术所限，找到系外行星就成了遥不可及的梦想。在此后的200多年里，这个梦想一直都是人类难以碰触的。
当时间来到1988年，寻找行星的梦想第一次变得触手可及。这一年，布鲁斯·坎贝尔和他的合作者在其发表的文章中提到，他们发现一颗恒星受到了一些扰动，并含蓄地指出这个扰动可能是由于围绕恒星转动的行星造成的。虽然直到 2003 年其他的研究组才确认了这个扰动确实是一颗行星造成的，但是我们可以说，第一颗系外行星在 1988年就已经被探测到了。1995 年，人们确认了第一颗围绕主序星(例如太阳就是主序星)运动的系外行星，名为“飞马座51b”。第一颗行星竟然起名字叫作b，天文学家果然也是喜欢给自己留有余地。在系外行星的命名系统中，总是从 b 开始的。这跟电脑硬盘总是从 C 盘开始有异曲同工之妙。
好事多磨，这之后的十几年间，并没有很多令人激动的关于系外行星的消息。然而，此后随着各类技术的进步，尤其是“开普勒”卫星的发射，系外行星的发现已经不再稀有。截至 2017 年3月，被确认的系外行星已达到3000多颗，并且有500多个多行星系统。人们对系外行星的关注度也越来越高。2017 年2月，美国国家航空航天局(NASA) 的新闻发布会提到了位于宝瓶座内的TRAPPIST-1 恒星竟然有 7 颗类地行星，其中有 3 颗距离其宿主恒星不远不近。也就是说，如果这3颗行星上有水的话，是可以以液体形态存在的。科学家们推测，这3颗行星是可能孕育类似地球生命的地方。
随着越来越多的系外行星被发现，有些原来看起来很遥远的科幻小说中的情节，也突然变得亲切起来。毕竟，人类未来第一个星际飞行的目的地，很可能就隐藏在现有的系外行星列表中。面对玄学一般的生命起源问题和宇宙中其他文明是否存在的问题，我们也似乎不再深感迷茫，而是渐渐感受到来自太空深处的一丝曙光。
系外行星的探测历程
行星，每个人都很熟悉，我们脚下的地球，就是一颗岩石行星。抬头仰望星空，有时候也会看到土星、木星这些比地球大很多的气态巨行星。然而，这些行星都处于太阳系内，距离太阳最近的恒星是半人马座Alpha，光也要穿梭 4.37 年才能到达这么远的地方，如果是飞机的话，要500万年才能到达。实际上，大多数恒星距离太阳要比这远得多。当我们以肉眼观察星空的时候，是没有可能直接看到这样遥远的太阳系以外的行星的。
那么使用望远镜呢？现在望远镜的种类其实非常多，有些望远镜的外观甚至可能完全超乎大家的想象。不过我们提到“望远镜”这个词的时候，主要是指那种巨大的带着透镜或者反射镜的光学望远镜。科学家使用光学望远镜探测系外行星的梦想，正如开篇所说，持续了接近200年。而现在，直接通过光学望远镜看到系外行星的影像，早已实现。例如，图1就是位于飞马座中的3颗行星的影像。
然而，通过这样的直接影像寻找系外行星并不容易。我们可以想象一下，当晚上开车的时候，往往难以看清对面开远光灯的车辆上的司机，这是因为车灯太过耀眼。类似的，看清楚紧紧挨着恒星的行星也非常困难，因为系外行星的亮度往往是其宿主恒星的十亿分之一，而且距离宿主恒星又相对比较近。不过，科学家通过使用仪器遮住其宿主恒星等方法，现在的望远镜还是可以看到行星的。比如，“新世界任务”就是一个通过对恒星遮挡进行系外行星研究的项目。
虽然直接看到系外行星的影像非常困难，天文学家还是有各种各样的方法来探测系外行星。这些方法主要基于两种原理：第一种是当行星运行到其宿主恒星和我们地球之间的时候，恒星的光线会被行星遮挡，从遥远的地球看来，恒星像是突然变暗了，这种方法叫作掩星法;第二种是因为行星的存在，导致恒星在天空中的位置有些很小的扰动，从而导致我们观测到的恒星的光谱出现一些变化，这种方法叫作径向速度法。
目前找到系外行星最多的“开普勒”卫星，所利用的就是第一种方法，也就是掩星法。虽然原理听起来很简单，但是实际上操作起来非常困难，因为一颗地球大小的行星对恒星遮挡的时候，可能只产生万分之一的亮度降低。另外，如果行星围绕恒星转动的平面垂直于我们的视线，那么行星运行过程中并不会对恒星进行遮挡，这种方法也是无效的。掩星法的另一个缺点是，如果行星围绕恒星的公转周期很长，可能我们对恒星观测了很久，却没有等到行星恰巧对恒星进行遮挡的时候，也就无从谈及恒星亮度的变化了。
第二种方法，径向速度法，也并非完美。所谓行星围绕恒星转动，其实是恒星和行星围绕它们共同的质量中心转动，只是因为恒星质量比行星大很多，两者的质量中心基本上靠近恒星的中心，所以恒星位置变化不明显。这就好比每次气急败坏想要把对方扔出去的时候，总会发现自己也会被甩开，如果对方体重比较大，那基本上就会变成自己被甩出去了。但是如果我们仔细地观测恒星的光谱，恒星这种微小的前后摆动，会在光谱上展现出来。光谱发生变化的原因是由于多普勒效应。根据我们的日常生活经验，当开着警笛的车辆朝我们开过来的时候，音调往往会高一些，而当这辆车离我们远去的时候，音调往往会低一些。如果我们能够知道车辆停在我们身边的时候音调的样子，那么原则上我们就可以通过听警笛的声音来判断车辆到底是离我们越来越近还是越来越远，甚至还可以判断车辆的速度。类似的，恒星往前或者往后摆动的时候，它发出的光也会往更高频率或者更低频移动。我们可以根据这种移动来判断是否有系外行星。 (马磊)