科學探索：銀河系中究竟有多少宜居行星？

尋找宜居行星是我們探索宇宙最重要的任務之一，而開普勒（太空望遠鏡）檢視了15萬顆恆星，來尋找適宜生存的行星。基於它的發現，我們銀河系中究竟有多少宜居行星呢？

在開普勒望遠鏡的視野內，包含了一條距我們最近的銀河系旋臂：在這個空間內擁有密集的恆星。即使如此，它也只有能力測量天空中相對狹窄的一個寬約數千光年的區域，這個區域內的恆星大約有150000顆。它可以測量每顆恆星的光線總量，因此可以檢測到恆星光線的差異、擺動、閃光和其他現象。但它真正要尋找的，是一種非常特別的亮度變化。

之所以要尋找這種特別的信號，是因為這能夠表明，在我們的視線與這顆恆星之間，有一顆行星正在經過（即凌星現象）。從地球上看，恆星的輻射能，會以特定的溫度，分散在整個行星盤上。但是如果在以那個恆星為主導的太陽系中，存在一顆行星，且從我們的視角來看，這顆行星從恆星的視面上經過，我們就會發現這顆恆星的光度有緩慢而微弱的變暗，但恆星的這種低光度只會持續數小時，之後又會變回原來的亮度。

不過只憑這一事件還不足以下結論，我們必須確定在這顆恆星和我們的視線間穿過的不是其他某些星際天體「搗蛋鬼」。因此我們需要在同一目標身上觀測到多次凌星現象，來確定我們發現的跡象，是由行星造成的，還是圍繞這顆恆星運行的其他天體造成的。

開普勒望遠鏡會把每一顆發現有此類信號存在的恆星，都標記為一顆候選星。但不是從每一顆候選星身上，都能發現行星！其中一些看起來較大的，實際上是小型而昏暗的恆星；少數看起來與恆星極其接近，似乎擁有極快的公轉速度的，實際上是巨大的恆星黑子，而其他少量的（一些最小的）可能只是數據中的隨機波動。

在我們宣布確認某顆行星存在，而非一個行星候選者的消息前，必須做許多十分認真仔細的工作。我們需要用不同的望遠鏡，以及與凌星法不同的其他技術手段，如測量恆星的擺動，或直接拍攝行星的照片，來作進一步確認。這才是最難的！直至今年1月1日，在那個視野之內總共發現了7348顆候選星，而僅有979顆得到確認。

這是否意味著我們所見到的大多是誤報？不！我們的確看到了大量的誤報：精確地說，是3170個，但這隻意味著要確認這些行星需要花費大量時間來進行望遠鏡觀測，而這對於我們當前所擁有的望遠鏡來說是一項十分困難的任務。（這同時也意味著開普勒望遠鏡發現了2000多顆食雙星！）我們完全可以期待，其餘的4178顆不會被排除，其中應該會有90%能夠被確認是行星。

在這些被確認的行星中，有5顆相當有意思。為什麼？因為它們很小，和地球差不多大（最大不超過地球的2倍），而且它們都位於它們恆星的宜居帶內。我們只需在用其他方式經過確認後，通過凌星星等與凌星時間便可確定。

之前舉行的美國天文學會會議發布了由開普勒數據提供的新數字：我們已經確認的行星數量已經超過了1000（確切地說，是1004），增加了554顆候選星（總數達到了4732顆），而又有3顆行星被確認體積不超過地球的2倍，而且位於它們恆星的宜居帶內！

這意味著，到現在為止總共發現了8顆與潛在的與地球相似的行星，它們的公轉軌道與恆星的距離恰到好處，有可能存在液態水，甚至有可能存在生命。而其中一顆新發現的行星——開普勒-438b——只比地球大12%，圍繞它的恆星（比太陽涼爽得多）運行一周為35.2天，它有可能成為擁有與地球相似環境的最佳候選行星！

那麼，根據現在我們做的一切——根據我們迄今為止已經完成的計劃，以及我們對太陽系的一般認識——我們是否能夠作出全面的推斷？我們是否能夠計算出，在我們銀河系中，那些位於它們宿主恆星宜居帶內，且與地球大小相似的世界，也就是潛在的適宜生存行星的總數？

我們在根據樣本中的發現，以及銀河系恆星總量的估計，來對此進行推斷之前，必須先考慮兩個方面的問題，它們是：假如讓開普勒望遠鏡擁有無限的時間和精確度，它最終會發現什麼，以及在我們對外星世界的期望中，哪些是開普勒望遠鏡永遠看不到的？

在第一個問題中，包含了大量且固有的不確定性。當我們考察開普勒的實際觀測結果時，就會發現它所觀察到的行星會自然而然地偏向以下幾種類型：大行星，因為它們能夠阻擋更多的宿主恆星星光。宿主恆星較小，使行星能夠阻擋的星光比例更高。行星距離恆星非常近，因為它們凌星的頻率很高。

我們在建立太陽系形成的模型時，總是會預計它們有足夠多的小型行星，但當我們在分析開普勒的數據後，便會發現存在某種界限；在開普勒發現了體積為地球兩倍的行星後，隨後找到的小型行星數量就變得越來越少。

這是就是開普勒的觀測極限所帶來的！請記得開普勒只是一種儀器，它所能感知的恆星亮度變化是有限的。假如凌越恆星的行星使前者的亮度降低了1%，那這種變化可能是較容易被檢測到的。但是如果這種變化只有0.1%、0.01%，甚至0.001%呢？這種變化越小，檢測的難度就越大。象水星這樣的行星，即使它和宿主恆星的距離極近，開普勒也檢測不到它所引起的變化。

對於大部分與地球類似的行星來說，也是如此。我們的能力總是讓我們傾向於找到那些距離它們的宿主恆星足夠近，以使得它們能夠在短期之內便能夠公轉多次的小型、岩石質行星。即使開普勒開足馬力，也「只能」獲得大約3年時間的有價值數據，這也就意味著，許多類日恆星周圍的行星可能位於宜居帶內，但是它們在我們的觀測期間，只有一至兩次凌越它們主星的機會。而在我們太陽系內，位於地球和火星軌道附近，也即是所謂宜居帶內的行星，在這段時間內所能夠產生的凌星現象也大概只有這麼多！

我們的確找到了一些行星，但是開普勒並沒有找到所有那些那些位於宜居帶內的岩石質行星。我們同時還通過對質量/半徑的測定，發現了一些質量為地球1.5至2倍的行星其實是「迷你海王星」，它們被一層厚厚的氫/氦外衣包裹著，它們與「超級地球」不同。這意味著只有比地球的半徑大30%左右的行星才有可能是岩石質的；許多我們現在已經叫了很久的「超級地球」到最後可能會被發現更像海王星。

讓我們來假設一下——開普勒發現了8個最佳候選星（從大約1000個已經證實的行星中）——同時開普勒發現了大約800個候選的岩石行星，我們希望岩石質行星的數量要比氣態行星多，同時這些位於宜居帶的行星大部分會因為開普勒無法感知到它們而會被錯失，以及在一百個恆星系統中，只有一個能夠被我們用凌星法檢測到，我們會得到什麼結果？

讓我們用數學來快速地算一下，同時從樂觀和悲觀兩方面進行考慮。悲觀一點的話，也許大小合適的岩石行星豐富程度與迷你海王星一樣；而樂觀一點的話，它們可能會多出5倍。也許它們位於宜居帶內的可能性如我們現在所知一樣（悲觀），也許這樣的機會能夠高出100倍（樂觀）。也許行星大小是地球的2倍但仍然是岩石質的（難以預測，但以從最樂觀的方面來說），或者說地球的大小已經到達了它能夠保持岩石質的上限（悲觀）。也許我們的視線與恆星黃道面保持一致的可能性能夠增加300倍（悲觀），或者也許是500倍（樂觀）。

用這些因素來放大在150000個恆星中找到的「8個潛在宜居行星」這樣的機率，那麼我們在銀河系中可以找到多少這樣的行星呢？按照悲觀估計，我們可以找到64億個潛在宜居行星；而按照樂觀估計，我們僅在銀河系中就會找到5萬億個潛在宜居行星。

是的，後一種未免過於樂觀，但是請記住，在我們的太陽系中，潛在宜居行星就有兩個——也許是三個（如果你把金星算進去的話）。如果取中間值，那麼在銀河系中，就有可能存在大約400至800億個潛在宜居行星，這可能是個更為合理和現實的推測，這個結果令人滿意。

銀河系中究竟有多少宜居行星？看完以上介紹，我們知道太多的因素都在阻撓著我們發現真正的數字，但是，正如你所見，要確認這些推測，我們還有許多科學工作要做。

所以，我們現在對宜居帶內岩石質行星的所知還只是皮毛，它們中的大部分，開普勒都沒有找到。那找到的那部分所佔的比例會有10%嗎？會有1%嗎？我們仍然不知道，雖然大部分有理有據的預測認為可能位於這兩個數字之間。（是的，我覺得這一範圍很寬泛！）但是考慮到開普勒所找到的候選星有4000多顆，因此這其中有800多顆的體積是地球1.25倍以下！只不過，基於我們現在尋找行星所擅長的方法，這其中的幾乎所有行星都可能距離恆星太近，因此也會太熱。我們已經確認了8顆位於宜居帶內的行星體積小於地球的2倍，這還只是個開始。

但是最為重要的事情，是我們不可以把在150000顆恆星周圍可以找到的候選星數量，簡單地套到整個銀河系中所擁有的大約4000億顆恆星身上。是的，我們可以簡單地算出一個數量，但是這個數量絕對是低估的。因為有兩個原因。其一是要加上開普勒未曾找到的，而另一個原因是我們還要把那些開普勒絕不可能找到的也算進去！

不知道你明白了沒有，大多數恆星的黃道面與我們的視線都有微小的夾角，因此開普勒永遠無法發現在其表面凌越而過的行星。要估計我們銀河系中宜居行星的數量，我們就要把這個因素考慮進去，來算出我們能夠在其身上看到凌星現象的恆星佔多少。以我們的太陽係為例，從各大行星的排列特徵便可以看出，通過望遠鏡來找到它們有多麼困難。

所以，你要是有興趣在太陽的宜居帶內尋找些什麼，你就必須在銀河系中尋找一個角度足夠好的地方，而你找到這個地方的機會只有1/300至1/500。換句話說，假如我們讓開普勒替我們在宇宙中尋找，那麼就得在它找到的數目上乘以300至500，因為大部分恆星系統與我們視線的排列角度都不符合，因此我們看不到它身上所產生的凌星現象！

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