寻找M家族

北辰

至少到目前为止，科学家还没有发现第二个“地球”，毕竟要在茫茫宇宙中找到与地球完全相同的星体实在有点难。于是，科学家们“退而求其次”，他们的搜索目标变成了——

1995年，瑞士天文学家米歇尔·麦耶发现了第一颗系外行星——飞马座51b。在此之前，寻找系外行星仅作为一个话题存在于大家的讨论中。不过，很多人仍然认为，这次的发现只是个偶然，但仅仅几个月后，美国的研究团体也宣布，他们找到了另外两颗系外行星。至此，系外行星开始接二连三地出现在天文学家的视野里。

M地球与M矮星

截至2013年7月12日，人类已经确认发现了910颗系外行星。可惜的是，在这些行星中，没有一颗与地球类似。它们绝大多数是气体球，体积过大，和木星差不多，并不适合人类生存。

众所周知，我们需要寻找的是一些与地球相仿的行星，它们应该拥有岩石表面，还要有液态水的存在。于是，“M地球计划”应运而生。该计划由哈佛-史密森尼研究中心提出，旨在寻找M地球和M矮星，负责人是戴维·夏邦诺。所谓M地球，就是与地球类似的一些系外行星。而M矮星则是一种“不正常”的恒星，由于在形成之初，它们没有得到足够的物质成为正常的恒星，结果沦为恒星家族的二等公民。M矮星属于红色主序星，质量一般不大于太阳的60%，而且体积偏小，发光能力也很弱，温度不高于4000℃。这样的矮星数量极多，我们在距离太阳30光年的范围内，就发现了250颗。

在“M地球计划”中，科研人员主要使用40厘米口径的小型地面望远镜进行观测。虽然这种望远镜并不非常高级，但众多小望远镜排列在一起就可以组成阵列，同样能获得不错的观测效果。

未来家园

想要找到M地球，首先要找到M矮星。因为M地球距离M矮星不会太远，它常常会在M矮星周围徘徊。尽管M矮星的发光能力有限，但它已足够满足孕育生命的需要。

由于距离矮星过近，M地球一般处于引力锁定状态，也就是说，它不会产生自转。在这种星球上，一半永远是白昼，一半永远是黑夜。而且，那里各地区的温度会有很大的差异，或许其中只有一小块地区的温度适合人类生存。

虽然这样的行星与地球大不相同，但要找到一颗与地球一模一样的行星实在是太难了。目前，“M地球计划”的首要任务就是寻找适合人类生存的地外家园，而M矮星与M地球将是我们未来家园的重要选择。

两种方法

既然我们确定了搜寻范围，那么接下来的任务就是寻找这对好搭档了。为此，科学家制定了两种搜寻方法。

当月球运行至太阳与地球之间时，从地球上的部分地区来看，太阳的部分或全部光线会被遮挡，这种现象就叫做日食。其实，一颗天体遮挡住另一颗天体的现象在宇宙中时有发生，它有个更科学的名字——凌星。观测凌星现象，是我们寻找M地球的第一种方法。

然而，小型望远镜阵列根本无法观测到这种现象，即使是开普勒望远镜也无能为力。不过，我们可以通过观察M矮星的亮度变化，以此判断M地球是否存在。试想，当M地球从M矮星面前经过时，M矮星的光芒将会变暗，随即又会变亮，而且这种光芒变化的过程又具有明显的周期性。因此，只要我们能观测到M矮星的亮度变化，就能推测出M地球存在与否。而且，我们还可以根据亮度的变化幅度，推算出M地球的体积，并由此得知它的质量。

此外，我们还可以通过观测恒星的移动轨迹来确定M家族是否存在。行星在围绕恒星运行时，会对恒星产生引力，使恒星左右摇摆。M矮星与M地球的质量相差无几，这就使得M地球在环绕M矮星运转时，M矮星会发生更剧烈的摇摆。这一明显的方位变化，将让人类更容易寻找到它们，并通过引力关系判定它俩的质量差，从而确定M地球的质量。戴维·夏邦诺认为，相对于更大的恒星来说，在这些相对较小的、比较暗淡的恒星周围寻找行星会更加容易。

观测光谱

由此可见，寻找M地球并不难，其实，真正的难题是如何确定它是否适合生命存活。不过，我们可以依靠光谱研究技术，通过分析星球大气层气体成分的方法来确定。

目前，科学家已经找到了一些M地球，也知道了它们大气层的一些基本情况。其中，GJ1214b是比较特殊的一个，它就是“M地球计划”小组于2009年发现的。

GJ1214b的质量是地球的6.5倍，体积是地球的2.7倍，显然，它的密度介于气体行星和岩石行星之间。科学家以此判断，GJ1214b的组成成分有两种可能：要么它有个较小的岩石核心，外加一个巨大的含氢气的大气层，而且氢含量很高；要么它有一个较大的核心，核心外侧包裹着深水海洋，大气层则富含水汽。根据这两种可能性，天文学家展开了广泛的讨论，如果能够排除第一种猜测，那么，GJ1214b将是一颗充满水分的星球。

为此，2012年，美国哈勃太空望远镜深入观测了GJ1214b的凌星现象，结果却一无所获。2013年，当GJ1214b再次发生凌星，日本科学家对其进行了观测。最终发现，它的光谱在大范围波长上毫无特色，这说明该行星的大气层中含有水蒸气，而且水蒸气还是主要的组成成分。

尽管我们已经初步证明GJ1214b是一个大水球，但我们也不能高兴得太早，因为那里的温度实在是太高了。这颗行星约由75%的水和25%的岩石构成，绕恒星运行1周只需38小时，比地球的365天短得多。此外，它距离红矮星只有200万千米，这使它的温度高达200℃。高温使得液态水全部蒸发，仅以气体形式存在。

除了观测行星发生凌星时的光谱，我们还可以通过观测行星白昼时的光谱，来深入了解行星大气层的构成成分。在M地球公转的一个周期内，我们将会有两次观测机会。第一次是M地球即将“躲”在M矮星的背面时，第二次则是M地球刚刚转出M矮星的背面时。在这两个时刻，我们能够看到M地球反射M矮星光芒的一面，这正是研究它光谱的大好机会。

我们只要在不同波段中观察行星反射恒星的光芒，并将这些光芒与恒星的光芒进行对比，就可以知道这颗行星的大气层包含哪些化学元素。

终极目标

“M地球计划”的初期目标是观测2000颗M矮星，并确定它们周围是否存在M地球。而它的终极目标，则是确定这些M地球是否适合生命存活。

显然，完成终极目标的前提是验证在这些M地球中，哪些有合适的大气层，哪些含有水。此外，还要确定它们的温度。一般而言，过高的温度不适合生命存活，因为星球大气层中的绝大多数碳会跟氧结合成为一氧化碳。真正值得研究的是那些温度低于1000℃的行星，在这种温度条件下，碳会跟氧结合形成甲烷，而甲烷则是生命存在的基本信号。

众所周知，想要找到一颗与地球相仿的行星非常困难，毕竟，地球的形成充满了太多的偶然。不过，詹姆斯·韦伯太空望远镜即将升空，大麦哲伦望远镜也正在建造，它们会帮助我们找到更多符合要求的M家族。随着光谱分析技术的不断进步，真正适合人类生活的星球也许很快就要出现了。

相关链接

飞马座51b：一颗位于飞马座、距离地球约50光年的系外行星。它是第一颗被发现的围绕类似太阳的恒星（飞马座51）运转的系外行星，同时也是热木星的原型。

矮星：原指本身光度较弱的恒星，现专指恒星光谱分类中光度级为V的恒星，即等同于主序星。

詹姆斯·韦伯太空望远镜：红外线观测用太空望远镜，由美国宇航局和欧洲空间局共同打造。按照计划，它将被放置于太阳-地球的第二拉格朗日点。

大麦哲伦望远镜：预计将于2020年完工启用的地基极端巨大望远镜，属于“极端巨大望远镜计划”，其安置地点已经确定为拉斯坎帕纳斯天文台。