鄭永春

今年7月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）召開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)，宣布發(fā)現(xiàn)了迄今為止與地球最為相似的系外行星——開(kāi)普勒-452b。許多人為這個(gè)消息感到振奮，似乎我們已經(jīng)接近幾千年來(lái)所夢(mèng)想的目標(biāo)——發(fā)現(xiàn)“另一個(gè)地球”。

其實(shí)，位于恒星宜居帶內(nèi)的系外行星，如果大小與地球相近，往往會(huì)被描繪為可能有水，可能適合生命生存，甚至引發(fā)可能有外星生命的猜想。實(shí)際上，這些系外行星是否具有適宜生命繁衍的環(huán)境，不僅取決于其所在恒星的類型和兩者之間的距離，而且還取決于行星的大氣層、磁場(chǎng)、內(nèi)部能量和物質(zhì)組成等自身性質(zhì)。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的與“太陽(yáng)一地球”系統(tǒng)頗為相似的“恒星一行星組合”

不斷壯大的“地球2.0”陣營(yíng)

今年1月，NASA曾發(fā)布開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)第1000顆系外行星的消息，其中開(kāi)普勒-438b、開(kāi)普勒-442b、開(kāi)普勒-440b等三顆行星的運(yùn)行軌道均位于所在恒星的宜居帶內(nèi)，當(dāng)時(shí)的報(bào)道也稱它們?yōu)椤傲硪粋€(gè)地球”。由此可見(jiàn)，地球的“表兄弟”并不是唯一的。那么，究竟哪些系外行星才具有加入“地球2.0”陣營(yíng)的資格呢？

過(guò)去6年中，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡找到了一些類似地球的行星：2011年發(fā)現(xiàn)的開(kāi)普勒-20e是第一顆比地球小的系外行星，但這顆行星可能太熱，且無(wú)法保存大氣層和液態(tài)水;同時(shí)宣布發(fā)現(xiàn)的開(kāi)普勒-22b是首顆運(yùn)行在宜居帶內(nèi)、繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的系外行星，但大小超過(guò)地球的兩倍，也不可能有固態(tài)表面;開(kāi)普勒-186f于2014年被發(fā)現(xiàn)，是首顆繞紅矮星運(yùn)行的系外行星，但它所對(duì)應(yīng)的母恒星僅為太陽(yáng)質(zhì)量的一半。2015年，科學(xué)家們終于發(fā)現(xiàn)了迄今為止最像地球的系外行星——開(kāi)普勒-452b，因其圍繞運(yùn)行的是一顆與太陽(yáng)非常相似的恒星——開(kāi)普勒-452，而且到這顆恒星的距離也與日地距離接近，所以它被人們稱為“另一個(gè)地球”也就不足為奇了。

致力尋找宜居星球

根據(jù)太陽(yáng)星云理論，太陽(yáng)系是從一團(tuán)彌漫著氣體和塵埃等星際介質(zhì)的太陽(yáng)星云逐漸凝聚、演化而來(lái)的。目前，太陽(yáng)系已經(jīng)演化到了行星形成的晚期，但我們并不清楚行星形成的早期歷史。我們的地球也是一顆行星，具有行星所共有的一些特征。通過(guò)搜尋系外行星，發(fā)現(xiàn)那些處于不同演化階段、不同類型的行星，有助于我們理解行星的形成和演化，更有助于預(yù)測(cè)地球的未來(lái)，這關(guān)乎人類未來(lái)的命運(yùn)。

系外行星系統(tǒng)的宜居帶：縱坐標(biāo)為母恒星質(zhì)量相對(duì)太陽(yáng)質(zhì)量的倍數(shù)大小，橫坐標(biāo)為行星到母恒星的距離;如同地球位于太陽(yáng)系的宜居帶內(nèi)，系外行星g、d位于其對(duì)應(yīng)母叵星的宜居帶內(nèi)

我們尋找系外類地行星，并不是因?yàn)槟抢锔用篮茫菫榱嗽诿ＣＳ钪嬷袑ふ椅覀兊耐?，尋找人類未?lái)的避難所。地球上的生物常常需要面對(duì)重大的災(zāi)難性事件。據(jù)推測(cè)，地球上的生物大滅絕平均2600萬(wàn)年發(fā)生一次，就像曾經(jīng)稱霸地球的恐龍被滅絕一樣，這樣的災(zāi)難一旦發(fā)生，必將導(dǎo)致人類的滅絕。為了讓人類的火種得以延續(xù)，我們需要在宇宙中尋找另一個(gè)家園，以防萬(wàn)一。

直徑比地球大60%的開(kāi)普勒-452b（右）與地球（左）之比較，開(kāi)普勒-452b所在恒星與太陽(yáng)質(zhì)量相近（概念圖）

有專家估計(jì)，到2050年，全球人口總數(shù)將增至90多億，因此有些科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始研究向外太空移民的方案了。且不論這種說(shuō)法是否危言聳聽(tīng)，但找到一個(gè)宜居的星球作為人類未來(lái)可能的落腳點(diǎn)，應(yīng)是先決條件。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡就是專門(mén)用于搜尋太陽(yáng)系外的類地行星的飛行器，數(shù)年來(lái)，它一直“關(guān)注”著天鵝座和天琴座一帶約10萬(wàn)個(gè)恒星系統(tǒng)，尋找可能的宜居行星。

生命星球何其珍貴？

許多太空科幻電影中，都描繪了人類未來(lái)可能移居到地外星球的光明前景。但作為冷靜的探索者，我們需要思考這些系外行星是否真的像地球？人類是否真的有可能移居到這些星球？

太陽(yáng)系的主要成員（注：未依照比例），圖中由右至左依次為太陽(yáng)、水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除八大行星外，在火星和木星之間還有一個(gè)無(wú)數(shù)小行星組成的小行星帶，在海王星之外還有冥王星和大量的柯伊伯帶天體，而來(lái)自遙遠(yuǎn)深空的彗星不時(shí)穿越到地球和太陽(yáng)附近。人類在地球上所享用的大氣、磁場(chǎng)、海洋、陸地等，我們視之為理所當(dāng)然，然而從整個(gè)宇宙的角度來(lái)看，實(shí)乃稀世珍寶

如果是短期登陸探訪，有很多太空探索的目的地可供人類選擇，因?yàn)槊荛]的登陸艙和厚重的宇航服可以保護(hù)我們。但如果要移居到另一顆星球，這就要求找到一個(gè)適宜人類長(zhǎng)期居住的天體，這個(gè)天體必須具備更為苛刻的條件……

首先，要有大氣層的保護(hù)。以地球海平面的大氣壓力（1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）為標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)院里的高壓氧氣治療為1.4個(gè)大氣壓，珠穆朗瑪峰峰頂約為0.41個(gè)大氣壓。如果系外行星的大氣太稠密或太稀薄，人類的心肺功能都將難以承受。如金星表面是90個(gè)大氣壓，連載人登陸都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，更不可能適合人類生存了。

除大氣壓外，這個(gè)“未來(lái)星球”還要有合理的大氣成分和比例。地球大氣的主要成分是氧氣和氮?dú)?，而且符合一定的比例。氧氣含量過(guò)高，人會(huì)發(fā)生“醉氧”，過(guò)低則會(huì)缺氧。但是，目前空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果還無(wú)法確定系外行星是否擁有大氣層，更難以判斷大氣成分。從太陽(yáng)系行星的已有經(jīng)驗(yàn)分析，土衛(wèi)六的大氣是氮?dú)夂图淄?，木衛(wèi)二為稀薄的氧原子，金星大氣主要為二氧化碳。由此推測(cè)，多數(shù)系外行星的大氣成分主要為氮?dú)?、甲烷、二氧化碳等，并不適合人類生存。除了氧氣，地球大氣層中的微量氣體也發(fā)揮了很大作用，比如臭氧過(guò)濾掉對(duì)人類危害很大的紫外輻射。如果系外行星沒(méi)有臭氧層，人類患皮膚癌的概率將大大增加。

致力于搜尋系外行星的望遠(yuǎn)鏡家族，從左下到右上依次為地基望遠(yuǎn)鏡、哈勃空問(wèn)望遠(yuǎn)鏡、斯皮策空問(wèn)望遠(yuǎn)鏡、開(kāi)普勒空問(wèn)望遠(yuǎn)鏡、系外行星勘測(cè)衛(wèi)星、詹姆斯一韋伯空問(wèn)望遠(yuǎn)鏡，近年來(lái)，人類巡天取得重大進(jìn)展，宇宙的圖景正在逐漸清晰

其次，未來(lái)的宜居星球要有液態(tài)水和適宜的溫度。水是生命之源，也是驅(qū)動(dòng)行星演化的重要載體，有了水，人與生物圈才能形成相互依賴、不斷進(jìn)化的生態(tài)系統(tǒng)，否則孤獨(dú)的人類是難以長(zhǎng)期生存的。但現(xiàn)有的觀測(cè)手段無(wú)法證實(shí)系外行星上是否有液態(tài)水，只能根據(jù)系外行星與恒星之間的距離來(lái)估算行星上的溫度，并根據(jù)溫度范圍推測(cè)是否存在液態(tài)水。但是，即使系外行星位于宜居帶內(nèi)，也無(wú)法保證行星表面具有適宜的溫度。就像金星上強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)那樣，行星大氣層的密度和成分將顯著影響行星表面的溫度。

可用于尋找地外生命信息的格林班克天文望遠(yuǎn)鏡，位于美國(guó)弗吉尼亞州，望眼鏡高約15149a0de26046d87dbe5dca44382ca20cb9eb481cf5f908c29e43bca2c373f143層樓，直徑100～110米

根據(jù)進(jìn)化論，生命的演化需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)的過(guò)程。太陽(yáng)作為太陽(yáng)系的母恒星，是一顆中等質(zhì)量的恒星，人類預(yù)測(cè)其壽命大約100億年?，F(xiàn)在太陽(yáng)壽命已經(jīng)過(guò)去約50億年，地球也已經(jīng)歷了46億年。地球形成后過(guò)了8億年才出現(xiàn)簡(jiǎn)單的生命，而人類的出現(xiàn)則不過(guò)是短短的250萬(wàn)年。換言之，太陽(yáng)系誕生約50億年后，地球上才繁衍出高度發(fā)達(dá)的文明。而在宇宙中，如果恒星的質(zhì)量太大，其壽命就會(huì)比較短，處在這個(gè)恒星系的行星可能來(lái)不及在母恒星的“有生之年”演化出相對(duì)復(fù)雜的生命。

再次，宜居行星必須有一個(gè)巖石質(zhì)的表面，讓人類可以繼續(xù)生活在陸地上。由于系外行星的質(zhì)量越小越難觀測(cè)，所以早期發(fā)現(xiàn)的系外行星大多是木星那樣巨大的氣液態(tài)行星，并不適合生命生存。宜居行星還要有一個(gè)完美的磁場(chǎng)，可以屏蔽來(lái)自恒星和恒星際的高能帶電粒子，因?yàn)檫@些高能帶電粒子可以扼殺掉大多數(shù)生命。

上世紀(jì)六十年代末，阿波羅8號(hào)飛船從月球上空拍攝到地球從月球的地平線上升起。黑暗的太空中，地球這顆蔚藍(lán)色的星球是如此與眾不同，如此生機(jī)勃勃，彌足珍貴

另一個(gè)重要條件是，宜居行星應(yīng)演化到了中年階段，內(nèi)部能量的釋放才比較溫和，因?yàn)樘幱谘莼缙诘哪贻p行星往往會(huì)狂暴地釋放內(nèi)部能量，導(dǎo)致地震和火山爆發(fā)的強(qiáng)度和頻度太大，生命在這些自然災(zāi)害面前的生存機(jī)會(huì)將十分渺茫。同理，系外行星所屬的恒星能量釋放要比較穩(wěn)定，否則人類在恒星爆發(fā)的超級(jí)帶電粒子風(fēng)暴面前，只能坐以待斃。

綜合以上因素可知，人類之所以能在地球上生存，是因?yàn)榈厍虼┝藥讓颖Ｗo(hù)人類的防護(hù)衣。第一層是磁場(chǎng)，它屏蔽了大量高能帶電粒子，保護(hù)我們免受高劑量輻射的傷害;第二層是大氣層，它提供了人類呼吸所需的氧氣和植物生長(zhǎng)所需的二氧化碳，其中的臭氧又過(guò)濾掉對(duì)人體有害的紫外線;第三層是水圈，水作為載體，促進(jìn)了地球各圈層之間的物質(zhì)循環(huán)和生物的新陳代謝。

未來(lái)20年左右，人類將首次登陸火星，并朝著改造火星和火星移民的方向發(fā)展（概念圖）

人類是在地球上繁衍進(jìn)化而成的，我們的一切都已適應(yīng)了地球的環(huán)境。就像世界上沒(méi)有兩片完全相同的葉子，宇宙中與地球一模一樣的星球也幾乎是不存在的，所以如果移居到另一顆星球上生存，人類很可能就需要進(jìn)化成另一種生物。雖然地球并非天堂，也會(huì)面臨超級(jí)太陽(yáng)風(fēng)暴、地球磁極倒轉(zhuǎn)、小天體撞擊等重大天文災(zāi)難，以及地震、火山、海嘯等自然災(zāi)害，即便如此，地球依然是我們迄今為止唯一的生存家園。

人類如何探索太空

目前，人類探索太空主要采用兩種手段，一是天文觀測(cè)，二是空間探測(cè)。天文觀測(cè)是用望遠(yuǎn)鏡從地面或地球軌道觀測(cè)宇宙中的星球和星際空間。其特點(diǎn)是能看得很遠(yuǎn)、很廣。例如，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST）可以觀測(cè)到140億光年以外的目標(biāo)。但由于距離遠(yuǎn)，采用這種方式看得不夠清楚，無(wú)法了解這些星球的細(xì)節(jié)。所以，天文觀測(cè)適合對(duì)宇宙進(jìn)行普查。而空間探測(cè)是發(fā)射空間探測(cè)器飛往地外星球進(jìn)行近距離觀測(cè)、著陸考察甚至采樣返回地球。其特點(diǎn)是能夠詳細(xì)了解目標(biāo)星球，對(duì)它進(jìn)行全面而深入的研究。但由于技術(shù)能力限制，空間探測(cè)器目前還不能飛得很遠(yuǎn)，僅限于在太陽(yáng)系內(nèi)，所以，空間探測(cè)適合對(duì)太陽(yáng)系天體進(jìn)行詳查。天文觀測(cè)和空間探測(cè)各有千秋，可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，因此都廣泛應(yīng)用于太空探索中。

好奇號(hào)火星車著陸火星表面的概念圖，之前的火星車一般采用氣囊方式著陸，這種全新的太空起重機(jī)技術(shù)有利于大質(zhì)量探測(cè)器的安全著陸

遙不可及的美麗童話

如果人類足夠幸運(yùn)，真的發(fā)現(xiàn)了一顆類似地球的系外行星，那我們又是否有能力抵達(dá)呢？以新視野號(hào)在借助木星引力加速后的峰值速度7萬(wàn)～7.5萬(wàn)千米/時(shí)（相當(dāng)于19～20km/s，大于第三宇宙速度）估算，飛到類地行星開(kāi)普勒-438b（距離地球475光年）大約需要684萬(wàn)年，飛到開(kāi)普勒-442b（距離地球1100光年）大約需要1584萬(wàn)年。所以在星際飛行理論沒(méi)有質(zhì)的突破之前，在用于時(shí)空穿越的蟲(chóng)洞還沒(méi)有成為現(xiàn)實(shí)之前，如果僅依靠傳統(tǒng)火箭，人類還不可能飛出太陽(yáng)系。不借助時(shí)空穿越，人類基本上不可能抵達(dá)這些系外行星。

在太陽(yáng)系內(nèi)，火星是與地球最為相似的行星，是目前科學(xué)界公認(rèn)的適宜人類居住的最佳選擇。木衛(wèi)二、土衛(wèi)六可能會(huì)有生命存在，但那里并不適合人類移居。

從太空回望地球，即使從冥王星的位置看，地球也只是陽(yáng)光照耀下的一個(gè)暗淡的藍(lán)色圓點(diǎn)。如果從太陽(yáng)系外看，地球只是飄浮在無(wú)盡黑暗和空蕩蕩的宇宙中的一粒塵埃。但恰恰是這個(gè)圓點(diǎn)、這粒塵埃，正是人類賴以生存的家園。如果把人類看作一個(gè)大家庭，那么地球就是我們代代相傳的“稀世珍寶”?！傲硪粋€(gè)地球”的想象雖然美好，但只是一個(gè)美麗的童話，“地球2.0”的“遠(yuǎn)水”解不了人類面臨的“近渴”，珍惜地球家園，是我們的現(xiàn)實(shí)選擇。

在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，人類還不具有飛出太陽(yáng)系的能力。在太陽(yáng)系范圍內(nèi)，只有火星的環(huán)境最適宜生命生存，它是我們移居外星球的首選目標(biāo)。雖然我們?cè)谔?yáng)系中探索木衛(wèi)二和土衛(wèi)六等天體，在太陽(yáng)系外搜索系外行星，但這些任務(wù)的主要目標(biāo)是探測(cè)這些天體上的生命信息，而非移居。

自阿波羅17號(hào)航天員最后一次登月至今的43年里，載人航天長(zhǎng)期被限制在地球附近的軌道，這種狀態(tài)必須改變。如今的載人航天已經(jīng)到了突破地球引力束縛，為實(shí)現(xiàn)載人登陸火星而努力的關(guān)鍵階段。載人登陸火星不僅需要豐富的知識(shí)積累、堅(jiān)實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備、專業(yè)全面的人才隊(duì)伍，還需要合適的政治氣候和民意支持。任務(wù)艱巨，使命光榮。