蓝星寻亲记

前不久的4月22日是一年一度的世界地球日，今年也是地球日发起50周年纪念。世界地球日成立的初衷是要唤起人们保护环境的意识，因为从客观上来说，不论是在太阳系内还是在太阳系外，我们尚未发现和地球一样适合人类生存的星球。

图源 earthday.org

但梦想总是要有的，自1992年天文学家发现第一颗系外行星以来，天文学家一直致力于搜寻地球在太阳系外的兄弟姐妹们。近年来我们时不时在报章上看到的“地球2.0”，“超级地球”之流便是天文学家们的阶段性成果。

而就在前段时间，天文学家们从早就退役的开普勒空间望远镜的观测数据中，又双叒叕为蓝星找到了一个号称迄今为止最为相似的异父异母同胞兄弟——Kepler-1649c.

Kepler-1649c与地球对比图，图源 NASA

看了这张NASA制作的对比图后，大概会有小伙伴嗤笑出声，就算Kepler-1649c真的有这副假想出来的尊容，说他和蓝星是八竿子打不着的路人甲还差不多呢，天文学家们怎么就把“最像地球”这顶大帽子扣在它脑门上了呢？

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最早能够戴上最像地球系外行星大帽子的，当属环绕红矮星运转的系外行星Gliese 876d。这是一颗2005年于宝瓶座中发现的系外行星，和当时绝大多数已知的系外行星一样，Gliese 876d是通过分析研究其母星Gliese 876异常的视向速度变化而间接发现的。

Gliese 876d假想图，图源 NSF

一般来说，能够引起母星异常视向运动的系外行星个头都偏大，也多以气态巨行星的形式存在于系统中。但是这一次，情况有些不一样。领导团队发现这颗系外行星的尤金妮亚·里维拉在她关于这颗系外行星的论文中这样写道：

“

This inclination yields a mass for companion d of m=7.53+/-0.70 M, making it by far the lowest mass companion yet found around a main-sequence star other than our Sun.

”

天文学家们认为由于这颗行星的质量相当小，它几乎不可能是一颗气态行星。直到这时，人类才第一次在宇宙中其他处于主序的恒星中，看到了第二个地球存在的可能。但是在我们的太阳系中，根本没有比地球更加庞大的岩质行星存在。因此。按照太阳系气体巨行星的质量下限（约为天王星质量的69%），人类为这些巨大的岩质行星开辟了一个专属类别——超级地球。这也是天文学家们在寻找第二个地球中里程碑式的发现。

不过说实话，Gliese 876d名为超级地球，但是除了和地球在结构上可能有相似之处，很难找到更多和地球相似的地方，特别是在温度上两者更是大相径庭。由于Gliese 876d与母星之间的距离仅为日地距离的五十分之一，表面温度超过300摄氏度，在这种极近距离的高温烘烤之下，Gliese 876d的表面环境可能相当恶劣。不过人类大概也很难知道这颗系外行星更多的构成信息了，因为它不会运转到地球与Gliese 876之间，也就不会出现凌星掩食现象，所以我们几乎无法获取更多的信息。

在连续通过视向运动法发现了多颗位于母星周围炽热的系外行星后的2005年8月，天文学家们终于通过微引力透镜法，在天蝎座发现了一颗非常高冷的系外行星——为OGLE-2005-BLG-390Lb。这颗行星立刻刷新了系外行星质量与表面温度的下限记录。因为轨道半径较大，这颗大约5倍于地球质量的系外行星表面温度约为-220°C。更低的质量与更接近的温度，让这颗系外行星顺理成章的踹开了Gliese 876d，当选当时最像地球的系外行星。

OGLE-2005-BLG-390Lb假想图，图源 NASA

但是我们要注意到，不管是微引力透镜法还是视向速度法，核心都是依赖系外行星本身质量对系统产生的影响来发现系外行星。在这种情况下，我们一般来说只能直接得到系外行星的质量，并通过轨道间接获取系外行星其他的参数信息。在不能够直接观察的情况下，我们几乎无从测量系外行星的半径，也就无从了解这些系外行星更多的信息。

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2009年发现的系外行星CoRoT-7b就比他们更令人信服的多，也更称得上是“超级地球”。究其原因，莫过于探测方法的改变使得我们对CoRoT-7b有了更加深入的观察与了解。除了测量母星的视向速度变化，天文学家还通过望远镜观测这颗位于麒麟座的系外行星对宿主恒星的凌星过程。更加详尽的观察，意味着更加精确的数据，这一次，天文学家基本确定，CoRoT-7b的直径约为地球的1.58倍，质量则大约5倍于地球，而基于这两个数据，我们还可以推断出CoRoT-7b有着和地球相近的密度，更有可能是一颗岩石结构的星球。这些更有说服力的详实数据自然要比完全基于个别关键数据推测的结果更激动人心，所以CoRoT-7b的当选也更具有说服力一些。

Corot-7b假想图，图源 ESO

CoRoT-7b的发现某种程度上就像一个信号，随着开普勒空间望远镜的升空，应用凌星法发现的系外行星就如井喷般涌现出来。在2011年的1月，开普勒空间望远镜升空的第三年，研究团队宣布发现第一个可以完全被确认的类地行星——Kepler-10b。与CoRoT-7b相比，Kepler-10b直径略小，约为地球的1.47倍，但是在质量方面，Kepler-10b要小得多，仅是地球质量的3.7倍。由于质量更小而且不确定性更低，Kepler-10b几乎不可能被解释为一颗液态熔岩星球。而且天文学家们还观测到了Kepler-10b的相位变化与发射自Kepler-10b的光子，这为人们研究Kepler-10b表面结构、成分乃至大气都提供了线索。于是这颗被誉为人类科学史上最伟大发现之一的系外行星迅速拿走了“最像地球的系外行星”大帽扣到了自己的脑门上。

Kepler-10b假想图，图源 NASA

不过Kepler-10b也没有高兴的太久，同年11月，负责开普勒计划的团队又一次公布了自己的发现，在天琴座中发现了两颗和地球体积相仿的系外行星Kepler-20e和Kepler-20f。其中Kepler-20e的半径比地球略小，约为地球半径的0.87倍，也是第一个尺寸比地球小的系外行星。而Kepler-20f就更令人激动，因为Kepler-20f半径为地球的1.03倍，与地球几乎别无二致，所以Kepler-20f顺理成章的接过了最接近地球行星的名号。

Kepler-20f假想图，图源 NASA

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寻亲活动进行到这一个阶段，越来越多尺寸相符的地球2.0即将进入人类的视线之中。但是天文学家们总结后却发现，绝大多数披着地球2.0外衣的蓝星兄弟姐妹，竟然都是系外行星中一帮狂野炙热之徒，它们的轨道都过于接近母星而很难在表面留有液态水的存在。这些系外行星与其说是蓝星的兄弟姐妹，倒不如说更像是水星的亲戚，因此不满足的天文学家们开始把这些系外行星是否可能有水的存在纳入了考察的指标之中。

那么怎么判断一颗系外行星是否有水的存在呢？我们都知道像人类在火星探测中那样使出百般武器近距离寻找直接证据当然不可行，毕竟目前为止发现最近的系外行星也远在4光年之外，而绝大多数系外行星更是有成百上千光年之遥，等到人类的探测器飞临，都不知过去多少年月。不过山人自有妙计，天文学家们迅速将宜居带的概念推广到其他类型的恒星之中。那么只要我们通过光谱确认了宿主恒星的光谱型，就可以推算出这个恒星系统允许液态水存在的范围，并进而判断新发现的系外行星是否可能有水的存在。

不同类型恒星的宜居带，图源 NASA

这一条标准的引入无疑显著提高了人们对系外行星的关注程度，在2011年的12月，也就是Kepler-20f被宣布发现后的一个月，一个运行在宜居区域的系外行星Kepler-22b也被天文学家们所识别出来。尽管Kepler-22b半径约为地球的2.4倍，质量犹未可知，怎么看都是一颗超级地球而非地球2.0。但是Kepler-22b也有令人瞩目的得天独厚优势，一是它的母星Kepler-22是一颗和太阳相仿的G型恒星，质量比太阳小3%，体积小2%，表面温度低200K，年龄仅年轻了约10%（大约6亿年）；二则是Kepler-22b运行在母星的宜居带之中，很有可能有液态水的存在。这个发现令就职于NASA埃姆斯研究中心的开普勒团队科学家、2017年《时代》杂志全球一百位最有影响力的公众人物娜塔莉·巴塔莉教授兴奋不已：

“

If it is mostly ocean with a small rocky core, it's not beyond the realm of possibility that life could exist in such an ocean.

”

Kepler-22b假想图，图源 NASA

这样子的表态无疑让全世界人民看到了接触外星生命与移民系外行星的希望，在Google trends上也可以看到在2011年的年底，“Earth 2.0”有一个异常的流量峰值凸起。

在Kepler-22b被发现后，运行在宜居带内的超级地球Kepler-61b、Kepler-62e、Kepler-62f也陆续被发现，这些发现甚至推动了一场名为“Exoplanet Discoveries: Have We Found Other Earths?”的美国国会听证会的进行，不满足于现状的人们，此时已经在期待着一颗和地球大小相若又位于宜居带的系外行星的到来。

Kepler-62f假想图，图源 NASA

2014年的4月，还是开普勒空间天文台的发现团队，在天鹅座发现了一颗完全符合人们期待的系外行星Kepler-186f。Kepler-186f半径约为地球的1.17倍，质量则约为地球的1.4倍，而且Kepler-186f运行在其母星的宜居带外侧空间中。而且佐治亚理工学院的后续研究表明，Kepler-186f不像大多数系外行星那样被潮汐锁定，而是拥有稳定的自转与轴向倾斜，这意味着Kepler-186f上甚至很有可能拥有分明的四季。

Kepler-186f假想图，图源 NASA

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说了那么久的开普勒空间天文台的发现成果，是不是几乎所有的系外行星发现成果都被开普勒空间天文台包办了呢？别逗了，这怎么可能呢？事实上，如果按照波多黎各大学行星可居住实验室PHL给出来的地球相似度指数ESI来看的话，名列前茅的几个候选体中，开普勒项目并没有独领风骚。在今年4月之前，最像地球的当属通过斯皮策红外太空望远镜于2017年发现的系外行星TRAPPIST-1e、TRAPPIST-1d。这两颗行星都有超过0.9的相似指数（ESI指数中最高为1，目前只有地球的ESI指数为1），在Kepler-1649c被发现前，可以说是最有希望摘下“最像地球”桂冠的系外行星。

TRAPPIST-1系统假想图，图源 NASA

TRAPPIST-1d和TRAPPIST-1e的相似指数分别为0.91和0.95，虽然都在超冷红矮星TRAPPIST-1为核心的系统中运行，但是TRAPPIST-1d在2016年5月时和TRAPPIST-1b以及TRAPPIST-1c一同先被天文学家所发现。尽管围绕一颗光度和辐射都远逊于太阳的恒星公转，但是轨道半径极低，事实上这颗半径仅有0.78倍地球半径且质量不足0.3倍地球质量的系外行星受到星光辐射大约为地球的1.043倍。由于接收到的辐射量和地球相似，TRAPPIST-1d的表面极有可能有液态水的存在。

TRAPPIST-1d令人对找到第二个地球倍感期待，不过在这个小系统里面真正的好戏是大半年后姗姗来迟的TRAPPIST-1e。TRAPPIST-1e的半径约为地球半径的0.91倍，质量约为地球质量的0.772倍，而密度则约为地球平均密度的1.024倍。尽管要比TRAPPIST-1d的距离更远一些，但是TRAPPIST-1e仍然能够接收到至少60%以上的恒星辐射，这个水平要比火星高得多，这意味着TRAPPIST-1e的表面温度极有可能非常适合液态水的存在。也正是因为TRAPPIST-1e是最有可能成为第一颗太阳系外宜居星球的系外行星，所以它也顺理成章的成为了下世代空间天文台——詹姆斯韦伯太空望远镜预定优先观测的目标。

因为宜居潜力极高，NASA甚至发布了前往TRAPPIST-1e的“旅行海报”，图源 NASA

现在终于轮到我们的Kepler-1649c登场了。说起来Kepler-1649c的发现还有那么一些波折，开头提到Kepler-1649c是在退役的望远镜数据中发现的，这是因为在最早的时候用于筛选观测数据的robovetter算法将暗藏Kepler-1649c踪迹的数据误认为是观测误差，结果让这一颗名副其实的系外行星淹没在数据洪流中。随着对这些“假阳性”数据的复核，天文学家们又从海量的数据中将Kepler-1649c重新发掘出来。这一发掘可让人大吃一惊，因为随着Kepler-1649c的重见天日，人们发现它的半径仅为地球的1.06倍，而且运行在母星的宜居带之中，而且与TRAPPIST-1e相比，Kepler-1649c能够接受到的辐射还要更高一些，这意味着表面温度要更加温暖。将这些罕见的系外行星参数综合起来评判，不由得不让人对Kepler-1649c的前景充满了期待。

Kepler-1649c地表假想图，图源 NASA

有的小伙伴们看到这里可能会产生浓浓的疑惑，既然讲到了最像地球的系外行星，那么曾经名噪一时风头无两的系外行星Kepler-452b到哪里去了呢？是不是把他遗忘了呢？

地球(左)与Kepler-452b(右)对比，图源 NASA

其实Kepler-452b的发现可能并没有想象中的靠谱，当我们回顾探测他的光变曲线时，几乎无法和已知的误判信号区分开来，Kepler-452b也因此备受争议。所以天文学家认为，在一个独立的观测项目或是观测团队重新找到Kepler-452b存在的证据前，Kepler-452b仍然只能以一个疑似的很像地球的系外行星候选体身份存在。

这是Kepler-452b与错误信号TCE 11961208-01的光变曲线，大家可以看到两者几乎没有什么显著的差别。那么有机智的小伙伴们能够猜到这两行图片里面哪一行图片是属于Kepler-452b的探测光变曲线吗？

本期关于蓝星这么多年寻亲的故事到这里也要结束了，就让逐星喵在下期的内容中再为大家揭晓Kepler-452b光变曲线是哪条的答案吧~

参考&拓展

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