即将看到“系外地球”天空的天文学家

编译 莫庄非

克雷德伯格在位于海德堡的马克斯·普朗克天文研究所探索其他世界的天空。她将使用巧妙方法来精确观察在母恒星周围的耀眼眩光中运行的遥远行星。她对新望远镜的兴奋却溢于言表：“我们等它等了太久了！”

人类对银河系里其他60亿颗类地行星几乎一无所知，不过在克雷德伯格看来，随着有史以来最强大的太空望远镜发射，情况很快就会改变。

到目前为止，克雷德伯格和她在APEx的团队已经仔细研究了和木星差不多大的系外行星（围绕其他恒星运行的行星）周围的大气层。对于那些更小的、可能存在生命的岩质行星，JWST之前的望远镜都仅能算出其数量，而无更深入解析它们的能力。

美国宇航局（NASA）斥资100亿美元，历经数十年规划和建设，打造了詹姆斯·韦布太空望远镜；发射之后，它将帮助像克雷德伯格这样的天文学家一窥系外行星的天空。

韦布太空望远镜的一个显著特点是一个网球场大小的遮阳板，可保护其仪器和镀金镜片免受太阳和地球热量的影响。借助遮阳板，望远镜能探测到微弱的红外辐射，例如来自系外行星的光。克雷德伯格是JWST第一轮观察任务里的两个项目——寻找和地球一般大的行星上大气和火山活动的证据——的首席研究员。

克雷德伯格领导了对围绕其他恒星运行的类木行星的化学成分、气候和云特性的开创性研究

克雷德伯格在内华达州里诺市长大，于2016年获得芝加哥大学天文学和天体物理学博士学位，在2021年获得安妮·坎农天文奖，是系外行星研究领域一颗冉冉升起的新星。“宇宙中是否存在外星生命”的问题激发了她对系外行星大气研究的兴趣。在克雷德伯格看来，“整个宇宙极度孤独”，发现外星人“会以一种奇怪的方式令人欣慰”。科学家推测生命无法在没有大气的行星上生存，因此调查岩质行星周围的大气是回答“我们孤独吗？”这一问题的关键一步。

现在，跟随科学作者托马斯·卢顿（Thomas Lewton）对克雷德伯格的专访，一起了解韦布太空望远镜即将开启的系外探索活动。

过去几十年，人类发现了几千颗系外行星。我们对它们有了哪些认识？

系外行星的多样性令人惊叹。通过对太阳系的研究，我们推断系外存在类地行星，也会有气态巨行星。（太阳系内的气态巨行星包括木星、土星、天王星和海王星。）但其他类太阳系大多看起来并非如此。大量行星的公转轨道非常靠近宿主恒星——因此它们的白天非常炎热，热到地表融化成熔岩。那些星系的规模是多种多样的，我们甚至见过围绕两颗恒星运行的行星，就像《星球大战》（Star Wars）里的塔图因星球。我认为再有想象力的人都预测不到系外行星的缤纷奇异。人们称它们为“系外行星动物园”。

到目前为止，我们对这些行星的大部分了解都是从它们的质量、半径和轨道周期推导而来。但对更深入的细节——比如天气如何，大气由什么构成的以及是否有宜居的行星等——的探究才刚刚开始。

JWST将如何开展进一步调查？

JWST令系外行星天文学家的梦想成真。这是有史以来最有野心的太空望远镜。我想说JWST将比哈勃望远镜强1万倍。它是一面大10倍的镜子，具备更强的聚光能力，可助使用者观察到较暗的目标。它的波长覆盖范围大10倍，一直深入至哈勃难以触及的红外区域。拥有红外覆盖范围将使我们的视野延伸到比过往目力所及的行星更冷或许更宜居的行星处，并透过这些行星上的云层。韦伯的稳定性和光谱分辨率也都是哈勃的10倍，这意味着观察者有能力看到行星色谱中可被大气分子吸收的确切波长，进而更精准地确定大气的化学成分。

到目前为止，我们对系外行星的大气层了解多少？

迄今为止，大多数观测都是针对木星级尺寸的炎热行星展开的。JWST对游戏规则的真正改变在于它对岩质行星的观测。已发现的岩质行星数量众多，但它们的大气层能否允许生命存在则是一个重大疑问。恒星的超强紫外辐射会令行星上的水蒸发，试想一下，地球若无大气层，水必然蒸发个干净，生命也将因此枯竭，所以大气层对于行星的生命孕育至关重要。而确定系外行星大气组成的唯一方法就是去看看。

您领导的观察计划将如何尝试做到这一点？

我们计划确定TRAPPIST-1 系统的行星周围是否存在大气。TRAPPIST-1星系距离我们40光年，因拥有7颗地球尺寸相当的行星而闻名。我们无法在空间上将行星和恒星区分开——它们靠得太近了。我们只看到恒星和行星亮度的总和。但是当行星从恒星后面经过，其发出的光被挡住时，我可以趁机观察它。通过测量总亮度的变化，我们能计算出某颗行星的亮度，从而得知它的温度。

温度可以在一定程度上反映大气特性。一颗行星的大气层如果很厚，就能更好地将炽热明亮的受光面的热量传输背光面的黑夜；若没有大气层，两个半球便是冰火两重天，日夜温差大得吓人。

您能谈谈大气组成吗？

我们如果知道某颗系外行星的确存在某种大气，下一步就会弄清楚它由什么组成。有了JWST，只要大气不是太混浊，我们就能研究它的光谱——通过观察直接穿过大气层的星光，我们可以判断大气内是否含有水、甲烷或二氧化碳……但我们无法直接检测到生物迹象。

为什么会检测不到呢？

地球大气中既有氧气又有甲烷。而如果在实验室里让这两种气体相互反应，你会得到二氧化碳和水。因此可以这么说，当你发现自己身处的世界充满二氧化碳和氧气，原因肯定就是它们在被不断生产出来——而在地球上，它们的生产者是生命。

克雷德伯格与一架布鲁斯双筒天体照相仪的合影。该望远镜曾是海德堡天文台的主要研究仪器

检测系外行星是否存在氧气是一桩极富挑战性的任务，因为氧气分子相比于其他分子实在太小，检测难度太大了。对于那些位于星系“宜居带”内的可观测行星，即便其氧气水平远高于地球，我们仍需在其宿主恒星前方进行数十次行星凌日方可探测到目标。任何额外增加的困难，例如大气里的云或来自JWST的仪器噪音，都会严重阻碍任务继续。我们需要在每一环节都足够幸运，才能看到氧气。根据我的经验，这会是一轮旷日持久的攻坚。

我们会看到一些更容易观察的分子，例如二氧化碳——它虽然不是生物迹象，但也是我们分析宜居性问题的一个重要参考。

我们如何确定系外行星上是否存在外星生命？

要回答“那里有生命吗？”这样复杂的问题，我们需要获得并处理大量来自行星的样本。这是很多下一代太空任务——包括直接拍摄类地行星的照片——的目标。我相信这是我们需要做的，但确实难度很大。这是我天文研究生涯的一个重大目标。

从直觉上说，您认为外星生命存在吗？

我是一个乐观主义者。在天文这个领域，你必须乐观。我确信宇宙某处有生命存在。我们已经知道地球并没有那么特别，宇宙中还有许多其他具备与地球相同温度和大小的行星。我们也知道其他行星上存在水是非常普遍的事实。在地球上任何有水的地方，我们都能找到生命。水是一种极好的溶剂。我们也知道生命在地球上迅速蓬勃发展。在海洋停止沸腾，液态水出现后不久，你就发现了生命的第一个化石证据。对我来说，这表明如果你有合适的“生命”原料，并且等待足够长的时间，你最终看得到生命出现。

您的观测计划是因何被选中的？

事实上，我对此略感惊讶，因为这一计划是我提交的所有方案中最具技术挑战性的。但大家对于观测地球大小的行星充满期待，我觉得他们愿意开展更有野心的、高风险又高回报的观测工作。

我期待看到更多的冒险，因为我们根本不知道系外行星是什么样的。可能所有的模型都是错误的。我赞同观测那些有最大信号的行星。不能保证我们会发现多少惊喜，但你如果不冒险，肯定看不到惊喜。

1990年的哈勃太空望远镜发射后不久，其反射镜就被发现存在问题。幸运的是，宇航员能够进行维修。您是否担心JWST会出现类似问题？

我们的确对此感到担忧。JWST面对的一个特殊挑战是它的遮阳板必须在太空中完美展开。与哈勃相比，JWST距离地球太远，我们不能派人去过去修理它。

假设一切按计划进行，你希望什么时候有结果？

我相信我们将在6个月内获得数据。根据历史经验，从原始数据中提取信号需要一个非常陡峭的学习曲线。我希望在发射后的12个月内至少获得一些关于行星的信息。但这是完全未知的领域。

资料来源 Quanta Magazine