發現一顆具適居潛力的行星,而且離太陽最近!

一顆被半人馬座毗鄰星的光所照亮的星球,距離地球只有4.24光年。

紅矮星
從半人馬座毗鄰星b行星上看紅矮星,如上圖所繪。PHOTO ILLUSTRATION BY ESO, M. KORNMESSER

 

有些行星雖小,但仍能造成極大話題,最近幾個星期一直有個傳聞備受媒體關注:距離太陽最近的恆星──半人馬座毗鄰星(Proxima Centauri),發現有顆宜居行星繞著這顆紅矮星運行著。

現在,天文學家已準備好要揭開這個神秘外星世界的面紗。

位在智利的望遠鏡確實發現一顆質量與地球相當的行星,環繞半人馬座毗鄰星運行著,這顆恆星只距離我們4.24光年;而且如果條件適合的話,這顆行星的運行軌道使其表面溫度足以保存液態水。

位於天空南方的半人馬座中的南門二是三合星系統,其中最小的恆星,便由一顆受到微弱紅光所照亮的行星所繞行。

南門二向來作為科幻小說的奇異國度,經常被認為是人類航向星際時首先會抵達的地點,也是未來地球遭遇不可避免的災難時,人們可能逃往的一個避難星球。

哈佛-史密森尼天體物理學中心及突破星擊計畫(Breakthrough Starshot)的顧問阿維·勒布(Avi Loeb)說「50億年太陽死亡後,地球文明有望移居的地點,最有可能是毗鄰星週遭那個適合居住、岩石構成的星球。」(►►►斥資一億美元的外星計畫係金A?

突破星攝已經宣佈在本世紀末之前,要將小型太空船送往南門二的計畫。但別期待很快就可以看到從這顆新行星傳回的明信片,即使把太空船加速到光速的20%,那也要花上逾廿年的時間才能抵達毗鄰星,另外還要4.24年的時間才能將資料傳回地球。

對系外行星有興趣的人,可能會想起這並非首度在南門二裡發現行星,2012年有天文學家宣稱發現一顆行星繞著南門二B運行,南門二B是類似太陽的恆星,這顆新發現的行星質量和地球差不多,不過這發現卻是一個貿然發布的例子。後續觀測中,並沒有發現這顆行星的存在,很可能只是資料上的雜訊,加上恆星本身的活躍現象,造成行星存在的假象。

有了這項新觀測,這個恆星系統加入了數千顆具有行星的恆星行列;要把這顆行星變不見,可需要一位非常厲害的宇宙魔術師。

根據五十四個夜晚的觀測,這顆行星存在的證據相當充分明顯;光用眼睛讀過這些數據就可以看出來,甚至用不著電腦來判斷。耶魯大學的格雷格·勞克林(Greg Laughlin)說「這結果再清楚不過了,完全不需用魔術把結果變出來。」

尋找毗鄰星

一群科學家發現這顆被稱為毗鄰星b的行星,他們是暗紅點計畫(Pale Red Dot)成員,這是計畫名稱是由卡爾·薩根(Carl Sagan)描述從遠方看地球時,就像個暗藍點而來的。

科學上來說,這樣的發現並不意外,過去十年來系外行星的研究顯示,像毗鄰星這樣的紅矮星是非常可能有行星的,它們有很大比例就像這顆新發現的行星一樣,特徵是體積小,表面是岩石構成的,而且夠溫暖讓水能在表面流動。

然而之前在毗鄰星搜尋行星都沒有成功,這令人心動的結果顯示毗鄰星至少有一顆行星存在著,至於是否還有其他的行星呢?正等著科學家們更仔細的搜尋。

當一顆行星繞著恆星運行時,它的重力會拉扯恆星,造成恆星輕微的擺動,較大的行星很自然地會造成較大的擺動,像地球這樣的行星造成恆星的擺動就相當的微弱,這需要長時間的觀測和非常精密的儀器來量測。

在2000年到2014年之間,對毗鄰星不定期的觀測,就有一顆行星存在的跡象,但是這個結果並不是很肯定,如果就這樣宣稱有顆行星存在,可能會引起他人訕笑。為了確認有顆行星造成毗鄰星的擺動,暗紅點團隊使用地球上最靈敏的恆星擺動觀測儀器──高精度視向速度行星搜索儀(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher, HARPS),在今年年初時他們用這個儀器來尋找這顆紅矮星的行星。

認識隔壁新鄰居

自從1988年以來,科學家已經發現了超過3000顆的行星,繞著太陽以外的恆星運行著,其中最近的一顆是毗鄰星b,它是一顆小的岩石行星,距離我們只有4.24光年遠,它有可能位在適居帶上。

這新發現的行星繞著半人馬座毗鄰星運行,它是距離太陽最近的恆星,這顆行星是已知的行星中距離我們最近的一顆,科學家相信它和地球的質量相當,可能有適合生命存在的環境,在它被發現之前,距離我們最近,而且可能有適合生命存在的行星是Wolf 1061c.
這新發現的行星繞著半人馬座毗鄰星運行,它是距離太陽最近的恆星,這顆行星是已知的行星中距離我們最近的一顆,科學家相信它和地球的質量相當,可能有適合生命存在的環境,在它被發現之前,距離我們最近,而且可能有適合生命存在的行星是Wolf 1061c.
如果一顆行星所在的軌道位置,能夠讓液態水存在它的表面,那麼這一顆行星就被認為位在恆星的適居帶上(圖中藍色範圍),比鄰星b繞著又暗又冷的紅矮星,這表示比鄰星b要位在適居帶上,它與比鄰星的距離就必須比地球和太陽的距離還要近許多。*圖表未按照比例繪製
如果一顆行星所在的軌道位置,能夠讓液態水存在它的表面,那麼這一顆行星就被認為位在恆星的適居帶上(圖中右側藍色範圍),毗鄰星b繞著又暗又冷的紅矮星,這表示毗鄰星b要位在適居帶上,它與毗鄰星的距離就必須比地球和太陽的距離還要近許多。*圖表未按照比例繪製
天文學家是用視向速度(radial velocity)的方法,也就是所謂的都卜勒效應,找到了比鄰星b的。這個方法是依據軌道上行星對恆星的引力,造成恆星輕微的擺動。
天文學家是用視向速度(radial velocity)的方法,也就是所謂的都卜勒效應,找到了毗鄰星b的。這個方法是依據軌道上行星對恆星的引力,造成恆星輕微的擺動。
這些輕微的擺動會影響天文學家觀測到光的顏色。如果恆星向地球接近,光的顏色就會移向為光譜中藍色的那一端。而如果恆星遠離地球的話,顏色就會移向光譜中的紅端。
這些輕微的擺動會影響天文學家觀測到光的顏色。如果恆星向地球接近,光的顏色就會移向為光譜中藍色的那一端。而如果恆星遠離地球的話,顏色就會移向光譜中的紅端。
透過高精密的儀器,地球上的天文學家觀察恆星擺動的模式。規律的擺動表示這顆恆星有一顆行星繞行著,這是相當有力的特徵。就半人馬座比鄰星b來說,天文學家觀察到一個11.2天的週期模式,這顯示有顆行星每11.2天繞行比鄰星一圈。
透過高精密的儀器,地球上的天文學家觀察恆星擺動的模式。規律的擺動表示這顆恆星有一顆行星繞行著,這是相當有力的特徵。就半人馬座毗鄰星b來說,天文學家觀察到一個11.2天的週期模式,這顯示有顆行星每11.2天繞行毗鄰星一圈。

 

從位於智利拉西拉的歐洲南天天文台,高精度視向速度行星搜索儀夜夜測量這顆毗鄰星的擺動,而科學家們熱切地期待著接踵而來的每個數據。這個團隊立刻就注意到11天數據中的相同模式。接下來大約20天晚上的資料再取得後,紀廉·安格臘達-埃斯庫德(Guillem Anglada-Escudé)開始承認或許他們偵測到了一顆行星,然後再經過10個夜晚,他開始草擬一篇論文描述這個發現,這篇論文於8月24日發佈於《自然》期刊

埃斯庫德說:「我們試著盡可能保持懷疑的態度,因為我們每晚收集一個點的數據。我們不希望公布發現之後,幾個月後又把論文撤回。」

這些數據顯示毗鄰星b的質量是地球的1.3倍,繞恆星運行的週期是11.2天,它所在區域的微弱星光,正好讓行星表面的溫度能夠有流動的水。(►►►我們在宇宙中是孤單的嗎?

行星或恆星?

因為南門二B行星的消失,以及其他原本發現的行星,後來都不見蹤影,暗紅點團隊非常謹慎小心地確認他們的發現。首先,團隊回頭再次研究本世紀初期的觀測資料。當他們使用更先進、更厲害的程式來分析這些資料時,那些令人感興趣的訊號變得更強了。

接下來,也是非常重要的步驟,團隊必須把這11.2天的訊號來自於這顆恆星的這個可能性排除。這不是件容易的事,因為半人馬座毗鄰星會週期性噴發閃焰,爆發強烈的幅射到太空中。

加洲大學柏克萊分校的羅蘭·維斯(Lauren Weiss)說:「的確有些測試可以做,這會讓你原本以為會是顆行星,變成只是恆星本身活躍的現象。作者們做了所有的測試,而他們的發現到目前為止,行星的假設是站得住腳的”。」

暗紅點團隊所作的其中一個測試,就只是單純地觀察這顆恆星。在合理狀態下,從地球上應該可以觀測到任何有規律的、不真切的恆星活動。但是透過好幾座地面望遠鏡的觀測,並沒有出現與這11天期間相符合的恆星活動。

耶魯大學黛伯拉·費雪(Debra Fisher)說,她認為毗鄰星的行星是可信的結果,雖然還不能百分之百確定,「沒有任何跡象顯示它們有關聯。」

埃斯庫德表示,有些徵兆顯示毗鄰星b可能有其他行星:資料中有個額外的訊號可能是來自於一顆以200天軌道繞行的超級地球,但研究團隊仍需要再深入研究才能確定這個訊號的來源。

當星星連成一線

除了排除錯誤的可能性之外,證明是否為行星最受歡迎的方法之一,是用不同的偵測方法把它找出來。科學家已經準備好將加拿大MOST太空望遠鏡對準毗鄰星,從地球的角度來觀測它的行星是否曾遮掩或經過毗鄰星。

「如果它確實遮掩、凌越毗鄰星,那就像擊出一支漂亮的全壘打。位於適居帶與地球尺寸相當的行星繞行最近的恆星,除非有無線電訊號從它發出來,不然我想不出任何比凌星更好的證據了。」勞克林說。

然而,行星與恆星完美排成一直線,讓地球上的天文學家可以觀察到凌星現象的機率很低,勞克林認為大約只有2%機率。

科學家尚未分析完MOST 望遠鏡關於凌星的資料,但是到目前為止,這些資料裡「沒顯示毗鄰星b是不存在的。」主持MOST望遠鏡搜尋的哥倫比亞大學大衛·凱賓(David Kipping)表示。

同時,高精度視向速度行星搜索儀更進一步的觀測,或其他即將上線使用的精密儀器也會在接下來的數年間,展開進一步觀測,來協助確認訊號是來自於這顆行星或是恆星。而接下來數年的測量,只會讓結果的可信度提高。

半人馬座比鄰星是南門二的三合星系統的一部份,圖示為數位巡天計畫2(Digitized Sky Survey 2)的合成影像。PHOTOGRAPH BY ESO, DAVIDE DE MARTIN, AND MAHDI ZAMANI
半人馬座毗鄰星是南門二的三合星系統的一部份,圖示為數位巡天計畫2(Digitized Sky Survey 2)的合成影像。PHOTOGRAPH BY ESO, DAVIDE DE MARTIN, AND MAHDI ZAMANI

 

「如果這真的是顆行星,這11天的訊號就不會因為我們觀測時間的不同而有所改變。這顆行星應該一直都在那裡。如果任何人在幾年以後試著再次做同樣的觀測實驗,然而卻沒有看到相同的結果,那就不是個好兆頭。」維斯說

外星生命

雖然這發現令人振奮,但是天文學家還需要一段時間才能告訴我們,毗鄰星b是否像我們知道的一樣:適合生命居住。到目前為止,科學家對這顆行星的自然環境還不夠了解,不過根據目前所得到的資訊,它不可能是第二個地球,甚至差遠了。

埃斯庫德表示,「這顆行星的軌道運行範圍還算溫暖,但這並不代表它就適合生命存在,這是我們必須加以討論的議題 。」(►►►超冷矮星可能有三顆適居行星

首先,除了星球年齡相仿,半人馬座毗鄰星跟太陽沒有任何相似的地方。它的質量只有太陽的12%,但磁場比太陽強600倍,而它所發出大部份的光是溫度較低的紅外線。這顆行星的位置相當靠近毗鄰星,近到足以讓液態水存在,不過毗鄰星會噴發出與太陽相當的X射線,所以這顆行星也位在破壞性非常高的高能粒子裡。

其次是那些即使以紅矮星的標準來看、都屬於相當激烈的巨大閃焰。毗鄰星年老後已經不像以往那麼活躍,但它在早期曾以驚人頻率,向太空發射出強烈的紫外幅射,這可能對這顆行星上的初始生命造成破壞性的傷害。

不只如此,那些恆星的爆發及持續的X射線轟擊,可能會侵蝕或劇烈改變大氣的組成,這讓行星表面失去對致命幅射的保護。

康乃爾大學的麗莎·卡坦奈格(Lisa Kaltenegger)表示:「如果大氣更稀薄的話,更多紫外幅射會直射地面,地面上的生命將會往地下、水面下尋找掩蔽,或以其他機制來保護自己。」

另一個較大的可能是,在僅僅距離毗鄰星七百萬公里的情況下,毗鄰星b有一面是永遠面向毗鄰星的,而另一面則是永遠朝向黑暗的宇宙。

所有的這些差異並不能證明生命在毗鄰星b無法形成和演化,只能說它的生命故事會跟地球截然不同。

卡坦奈格說:「如果那裡生命存在的話,生命的形成可能比在地球上還要艱困,但這正是研究這些世界令人興奮的地方。宇宙中這些世界只有些許不同,卻能揭開難以想像的生命多樣性。」

 

撰文:Nadia Drake

編譯:李昫岱

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