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尽管利用詹姆斯•韦伯望远镜研究类地行星并非最佳方案，但系外行星研究人员已经开始和天体物理学家争夺该望远镜的使用权。

詹姆斯•韦伯空间望远镜（JWST）

图片来源：NASA

二十年前，你可以用双手和双脚数出所有已知的行星。如今，你却需要一个计算器和电子表格：成千上万绕着其他恒星转的系外行星已经填满了我们的目录。找到上万系外行星对天文学家来说已经不再是新鲜事了。

大多数的系外行星都是炎热、荒凉、彼此之间很不相同的气态巨行星，比如“热木星”或者“温暖亚海王星”。但也有些星球就像我们地球的超大版：由岩石组成、条件温和的“超级地球”。仅有少数几个与地球尺寸、质量和轨道相似的星球。相关统计表明，每个恒星都有绕着它转的行星，并暗示离地球最近的恒星可能不到12光年的距离——在天文上，这个距离实际上相当于比邻而居。然而，科学家依然不能确信上述与地球相似相邻的行星是否真正存在。最终何时以何种方式发现它们，取决于不久未来的技术手段。

我们发现的大多数令人兴奋的系外行星，都来自于美国宇航局寻找行星的开普勒计划（Kepler mission），但这一空间望远镜观察的对象往往过于暗淡和遥远，这对进一步的研究造成了极大的困难。开普勒计划的最新阶段，即K2，正在寻找更近、更亮恒星周围的行星。这一任务可能到2017年才会有进一步发展，美国宇航局打算在这一年发射开普勒望远镜的后继者——凌日系外行星巡天测量卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite ，TESS）。与开普勒类似，TESS会搜寻行星穿过恒星表面时留下的阴影。TESS可能会发现数千个系外行星，其中可能有数百个是较小、且由岩石组成的。而这些由岩石组成的较小行星中，又有少数一部分能从星光暗淡的“M矮星”中获得足够的星光，使其表面能有液态水。

也就是说，TESS可以在附近找到少数适合居住的行星，甚至上面已经有了生命。为了对其了解更多，天文学家将从远处探测各个星球的大气层，并利用光谱仪寻找温和的大气特征，如水蒸气和二氧化碳，或许还能通过细菌产生的甲烷以及植被光合作用产生的氧气来发现潜在的生命迹象。

在21世纪20年代， 一些配置30米或者更大直径镜头的 “极大望远镜”来可能会在地面对TESS和其他航天器发现的非常明亮、距离近且适合居住的星球进行测量。但是研究者一致认为，研究这些行星的生命迹象是最好在太空中完成，这样可减少地球混杂大气的干扰。

天文学家已经把老化的哈勃和施皮策空间望远镜的能力发挥到了极致，却还只能粗略探测太空中大的、热的、不适合居住的星球。而只有NASA耗资90亿美元、预计2018年投入使用的詹姆斯•韦伯空间望远镜，有希望在任一时间跟进TESS的重大发现——能实时向大众和国会汇报最激动人心的进展，对望远镜计划的发起者来说自然是至关重要的。

不过，对于韦伯望远镜到底能够带来多大希望，不同人的看法也不一样。空间望远镜科学研究所（the Space Telescope Science Institute）韦伯项目的科学家贾森•凯利拉伊（Jason Kalirai）对其抱有乐观的态度：“利用它，我们可以在围绕M矮星运转的‘超级地球’周围大气中检测出二氧化碳、甲烷和水蒸气。”但同一家研究所的天文学家杰夫•瓦伦蒂（Jeff Valenti）则认为韦伯项目的前景更加不确定一些：“韦伯望远镜能否成功在M矮星附近发现宜居星球的特征还得靠老天说话，”他说，“我们要去尝试吗？我们当然会去尝试。但是一定会有结果吗？我持怀疑态度。”

寻找生命，发现大气

韦伯望远镜配备低温冷却探测器和巨大的6.5米的镜头，因此在红外波段有着很强的分辨率，能够检测一些TESS凌日行星的大气层。当一个行星正在凌日、处于恒星阴影处时，韦伯望远镜可以尝试通过收集穿过行星大气层的恒星星光来获得大气成分和结构的信息。韦伯望远镜还可以通过观察行星离开凌日位置的时候（如行星跑到恒星的后面、被恒星掩蔽的时候）恒星亮度的变化来估计星球表面的温度。

韦伯在寻找离太阳系外生命特征这一方面能起到多大的作用，很大程度上取决于运气。如果TESS没有找到任何关于围绕M矮星的超级地球的信息，韦伯望远镜就难以进行下一步观测。韦伯望远镜设计的初衷是为了研究宇宙中第一代恒星，并不是宜居行星，并且其设备在天文学家认识到它可以研究潜在的系外行星之前就已经设计好了。探索更大，更明亮，更类似太阳的恒星周围的类地行星将已经超出韦伯望远镜的要求，这类探索任务需要新颖的、充满挑战的光学技术，而这些技术已经不能赶在发射前加入到望远镜中了。

由于在M矮星周围至少有一个潜在的可居住的超级地球，最安全的做法是仅仅用韦伯望远镜确认这颗行星拥有大气层。即使这个行星真的拥有大气层，把它归入“可能适合居住”的星球还远远为时过早。M矮星本身作为恒星，就为其行星的宜居性带来了很多不确定性和有挑战性：在该恒星宜居带中的行星受到非常强大的恒星耀斑的击打，此外，它的行星可能还是“潮汐锁定”的，即始终保持一面朝向恒星。

争分夺秒

对于韦伯望远镜的委员会而言，如何分配韦伯望远镜的使用时间将是一个让人头疼的任务，在2018年望远镜发射升空前他们将对此进行协商。但是韦伯望远镜研究的行星中，不适宜居住的行星数量可能会远远超过宜居星球的数量。“在M矮星周围的行星许多都是热木星这样的情况下，我认为韦伯望远镜在某种意义上有大材小用之嫌，”高迪说，“这就像用大锤去锤小钉子……实际上，你可以用较小的工具完成。但也有人会认为，最好、最先进、最昂贵的设备，应该用在只有它能完成的任务上，尽管不一定是最适合的。”——例如观察超级地球。

根据ExoPAG，解决这一僵局的潜在方案是把韦伯望远镜关于气态巨行星的研究分配给另外一个空间任务。使用一个更小、更便宜的空间望远镜专门研究数百颗热木星和海王星的凌日时的大气层。这一任务计划于本世纪二十年代中期构建和启动，那时韦伯望远镜已经快要退休了。

天文学家近期已经提出了这样的任务，并获得了些许结果。2013年美国宇航局通过了一项叫做快速红外系外行星光谱探测（(Fast Infrared Exoplanet Spectroscopy Survey Explorer ，FINESSE）的方案，可以用来支持TESS计划。去年，欧洲航天局通过了一个类似开普勒的计划，即行星凌日和恒星振荡（Planetary Transits and Oscillations of Stars，PLATO）计划，该任务将于2024年启动，用以代替用来测量气态巨行星的EChO（系外行星表征观测站）计划。现在，大家都开始意识到韦伯望远镜观测时间有限这一残酷的事实，两方已经在重新考虑他们的观测机会。欧洲EChO项目组已提交了一份新方案，称为ARIEL。美国FINESSE项目组听说也正紧锣密鼓地准备一项新方案。

“这些项目的部分任务是要寻找并研究我们离我们最近的‘表亲’——另一个地球，并试图发现上面存在的生命迹象，但是它们的另一个目标，也是希望去理解整个行星家族。”马克•斯温（Mark Swain）说道。他是一名系外行星大气专家，也是美国宇航局喷气推进实验室FINESSE项目组的领军人物。“这些观点迥异但或许殊途同归，”斯温补充道，“为了证明围绕在另一颗恒星运转的类地行星上存在生命，我们必须了解它们大气工作的原理，这需要把它放在行星大气层的总体实际中去，所以我们需要大规模的观测任务来提供这样的背景信息。”

不管凌日测量空间望远镜能否实现对韦伯望远镜的补充，美国宇航局的后韦伯望远镜项目已经启动。该机构计划在韦伯望远镜之后的2020年，推出2.4米口径的大视场红外巡天望远镜（Wide-Field Infrared Survey Telescope，WFIRST）。其目的是研究暗能量、以及对气态巨行星进行快照。许多系外行星科学家都寄希望于WFIRST或其继任者来寻找系外地球。也许在本世纪30年代或以后，能有10米或12米的空间望远镜，专门用于对大量类日恒星周围的类地行星进行直接成像。但是优化望远镜将是一个艰难的任务，所以可能会牺牲对小一些、暗一些的恒星周围较有希望的行星进行深入研究的能力。这样的望远镜理论上可以研究数以百计的类地行星，但代价也许是只有探测到最近、最亮的M矮星周围十几个有可能宜居的行星。

因此，系外行星领域的下一场争夺战，可能就存在与是寻找真正的“另一个地球”，还是用韦伯望远镜研究更加陌生的M矮星星系这两种选择之间。“我不认为韦伯望远镜能取得很大的成功，”来自阿默斯特学院的考恩（Cowan）说道，“它能帮助我们研究M矮星，但不能寻找到类似地球的家园。所有用于追寻类地行星的下一代空间望远镜计划，其目标都是追寻围绕类日恒星旋转的类似地球的行星。想象一下如果我们用韦伯望远镜获得了一些关于M矮星行星的重要观察结果，并且发现它们有大气层，我们或许又得将这些发现搁置30年，这是一个很大的问题。”（撰文：李•比灵斯（Lee Billings）  翻译：邓哲民  审校：丁佳琦）

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（来源：环球科学）

中科院物理所 2015-08-23 08:45:57