由中國科學院云南天文臺研究員顧盛宏領銜的國際聯(lián)合研究團隊首次利用凌星中間時刻變化反演技術，在類太陽恒星的宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)一顆質量約為地球10倍的超級地球——開普勒-725c。國際著名科學期刊《自然-天文》（Nature Astronomy）近日發(fā)表了這一突破性成果。那么，這顆超級地球是怎樣被發(fā)現(xiàn)的？尋找系外行星有哪些主流技術？科學家熱衷探索的超級地球，對天文學或行星科學究竟有何意義？

1 開辟發(fā)現(xiàn)“地球2.0”的新通道

據(jù)新聞報道，由中國科學院云南天文臺、德國漢堡天文臺、西交利物浦大學和中國科學院南京天文光學技術研究所組成的國際聯(lián)合研究團隊，首次利用凌星中間時刻變化（Transit Timing Variation，縮寫TTV）方法，在一顆類太陽恒星的宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)了超級地球開普勒-725c。

這項發(fā)現(xiàn)是從開普勒空間望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)中發(fā)掘出來的。開普勒空間望遠鏡是系外行星探測史上的傳奇，在已經(jīng)確認的近6000顆系外行星中，源自開普勒觀測數(shù)據(jù)的就有3300多顆。在它的“家族”里，還有成千上萬的候選者有待檢視。

編號開普勒-725的這顆類太陽恒星距離地球大約2472光年，科學家從其光譜得知，它與太陽相似，也是G型黃矮星，只比太陽略輕5%。早在2016年，人們通過分析開普勒空間望遠鏡的觀測數(shù)據(jù)，已經(jīng)知道這顆類太陽恒星有一顆行星，編號為開普勒-725b（太陽系外行星編號規(guī)則是“主星加小寫字母”，字母從b計起），其大小和木星差不多，平均每39.643天圍繞主星轉一圈。

說“平均”是有理由的：云南天文臺領銜的研究團隊通過深挖原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開普勒-725b的公轉不太準時，最早的“提前”和最晚的“遲到”可相差0.012天（17分鐘以上）。研究團隊認為，還有一顆行星干擾了開普勒-725b的運行，最終他們通過凌星中間時刻變化反演，計算出這顆隱身行星的質量和軌道參數(shù)，并將其編號為開普勒-725c。

開普勒-725c的質量約為9.7個地球，每207.5天圍繞主星轉一圈。它的軌道半長軸（可視為與主星的平均距離）是0.674個日地距離，接受的平均輻照是地球的1.4倍，具備生命存在的條件。稍微美中不足的是，它的公轉軌道比較扁，偏心率達0.436，就是說，它繞著主星轉的時候，相當于在地球軌道和水星軌道之間來回穿梭，“寒暑”切換相當劇烈。

此次開普勒-725c受到極大關注，緣于這是使用凌星中間時刻變化法發(fā)現(xiàn)的首顆潛在宜居的超級地球。而且迄今為止，在已知類太陽恒星宜居帶運行的超級地球中，它是唯一測得質量的。這項研究開辟了在類太陽恒星宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)地球2.0的新通道，是具有國際領先意義的一大突破。

2 五大主流技術支持行星“找尋”

天上的星星都十分遙遠，就連離地球最近的比鄰星，光線都要走4年多才能到達。距離越遠，星光越暗，許多恒星用超級強大的望遠鏡才能看到，那么它們周圍這些自身不發(fā)光的系外行星，又是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？

目前，科學家主要使用5種方法尋找系外行星。

1.視向速度法 我們常說“行星圍著恒星轉”，實際上，恒星并不是一動不動地穩(wěn)坐中間，而是被行星拉扯著晃來晃去，圍著一個共同質心轉。太陽系的“巨無霸”木星和太陽的共同質心就在太陽體外47300公里的地方，它們都圍著這個共同質心轉。這就好比鏈球運動員發(fā)力的時候，鏈球在空中轉大圈子，運動員在地面轉小圈子。當一顆恒星朝著我們晃過來時，我們會看到它的光譜譜線朝著藍端移動，反之則朝著紅端移動（光源接近我們時，光波會因波長壓縮而變得更藍，遠離我們時會因波長拉伸而變得更紅）。通過觀測譜線的擺動幅度和周期，便可得到恒星在視線方向上的速度和周期，進而推算出造成晃動的那顆行星有多重、多久轉一周。恒星光譜非常穩(wěn)定可靠，且易于觀測，所以視向速度法曾是最主流的系外行星探測方法。2012年后，開普勒空間望遠鏡的數(shù)據(jù)成果開始大爆發(fā)，視向速度法的優(yōu)勢不再那么突出，但它至今依然穩(wěn)定發(fā)揮，在歷年的新發(fā)現(xiàn)中占據(jù)著很高的比例。

2.凌星法 有些行星的軌道和地球對得特別齊，當它圍著恒星轉的時候，在它的每一“年”，從地球看來，它都會從恒星面前經(jīng)過一次，短暫地對恒星造成局部遮擋。在此期間，我們能看到恒星的亮度降低，這種事件就叫“凌星”。其實在太陽系內(nèi)也有類似的天象，即水星凌日和金星凌日，當凌日發(fā)生時，能看到一顆小黑點從日面緩緩劃過，不過肉眼體會不到太陽變暗，因為恒星和行星的大小懸殊，這種遮擋只能造成百分之幾乃至十萬分之幾的亮度變化。對于高靈敏度的觀測設備來說，一丁點的變化卻足以讓行星“現(xiàn)身”。如果恒星變暗事件周期性反復出現(xiàn)，就可以確認行星的存在，通過變暗幅度，還可以推測行星的尺寸。前面提到的開普勒空間望遠鏡探測系外行星，使用的就是凌星法。

3.凌星中間時刻變化法 以開普勒空間望遠鏡為代表的凌星法雖然發(fā)現(xiàn)了一大批系外行星，但也有明顯局限。首先，它需要系外行星的軌道和地球精準對齊。以金星為例來體會這一點：僅僅3.4°的軌道夾角，就讓我們要等到公元2117年才能看到下一次金星凌日。其次，凌星造成的亮度變化可能還不如恒星自身活動的亮度變化大，所以干擾嚴重。此次，云南天文臺聯(lián)合研究團隊使用的凌星中間時刻變化法，在一定程度上突破了這些限制：對一顆已知行星的公轉周期進行計時，就有機會發(fā)現(xiàn)其他隱匿的行星。有趣的是，這個方法兩個世紀前就在太陽系內(nèi)成功使用過，那時是因為天王星運行古怪，先加速后又減速，人們懷疑旁邊還有一顆大行星，在兩星會合前先把天王星朝前扯了一下，會合過后又拖了它的后腿。法國天文學家勒威耶通過計算，預言了這顆未知行星（即海王星）的位置，和實際的觀測位置誤差還不到1°。

4.微引力透鏡法 愛因斯坦的廣義相對論指出，在大質量物體周圍，時空會發(fā)生顯著的彎曲，使得走直線的光線看起來像是拐了彎。遙遠的星光經(jīng)過近處的大質量天體周圍時，會被該天體輕輕地“攏”一下，就像通過了一面聚光透鏡，在光線繼續(xù)傳播的路徑上觀察，能夠看到亮度升高。微引力透鏡法利用的就是這個原理，它使用非常遙遠的背景恒星作為參考光源，來觀察近處的目標恒星。銀河系的恒星都在圍著銀河系中心運動，群星之間彼此會偶然遮擋。當近處的目標恒星從背景恒星前方橫過時，由于引力透鏡效應，我們能看到一次閃光。如果目標恒星還帶著個行星“小弟”，那么行星還會疊加一道較小的閃光。微引力透鏡的弱點在于恒星遮掩是個一次性事件，難以像視向速度法或凌星法那樣反復觀測。

5.直接成像法 原本以為無法看到的行星，也有機會直接進入望遠鏡的視野，不過條件比較苛刻，需要它足夠大或者本身足夠熱，能夠在紅外波段發(fā)光。這類行星通常是剛剛形成的年輕行星，形成過程中接收了所有吸積物的勢能，“憋了一肚子火”，能發(fā)出明亮的紅外線。當然，行星再熱也沒有恒星熱，還需要采取一些特殊的手段，例如“消零干涉法”，把主星的光輝掩蔽掉，才能看到行星的模樣。

3 如何推測系外行星生命狀態(tài)

當拿到系外行星的基本資料，如體積、質量、軌道參數(shù)等時，從中能夠推測出哪些信息呢？由于牽涉的知識非常多，主要從地球生命的視角來討論這個問題。

首先，科學家要看恒星的情況。垂死的紅巨星和已死的白矮星、中子星、黑洞就不提了，主要關注的是還在進行氫核聚變的主序星。我們希望它不要太大，因為大質量恒星的核聚變遠比小質量恒星高效得多，恒星越大越“敗家”，正所謂“巨星不長命，矮星億萬年”。來看壯麗的獵戶座，勾勒其輪廓的8顆亮星全都是巨星（每顆相當于8到40個太陽不等），每幾百萬年就能各自揮霍一個太陽質量，一千萬年內(nèi)會紛紛死去。在這樣的恒星身邊做行星，可能表面還是熔融巖漿狀態(tài)時，主星就已經(jīng)消亡了，生命更無從談起。

一顆質量小于0.2個太陽的紅矮星，壽命可達2萬億年，在它身邊做行星，似乎平安得多。但紅矮星的溫度非常低，行星要想足夠宜居，就要努力靠近主星，這樣做很容易被主星潮汐鎖定：行星永遠以一面對著主星，就像月球永遠不給地球看背面一樣。那么，朝向主星的一面最終會被烤成火焰山，而背向主星的一面被永遠冰封，生命或許只能生存在陰陽交界的地方。

接下來，科學家會看行星自身的條件。行星與主星的距離要穩(wěn)定適中，表面溫度不高也不低，最好能覆蓋液態(tài)水的范圍。為什么液態(tài)水很重要？一是氫和氧在宇宙中的儲量豐富，再加上水分子結構簡單，易于合成，使液態(tài)水順理成章地成為宇宙中最豐富的優(yōu)良溶劑，許多生化反應都可以在其中進行。二是在常見物質中，液態(tài)水的比熱（物質升高或下降單位溫度所吸收或釋放的熱量）首屈一指，保暖效果一流。三是冰比水的密度低，遇到嚴寒天氣時，冰會漂在水的上方，形成保溫層，阻止下方的水繼續(xù)凝結。

假設行星上有類似地球的生命形式，還可以對它們的生存狀態(tài)做一些初步推測。比如，行星距離主星較近，溫度較高，植物的葉子會非常大，有助于散去多余熱量；行星表面重力比地球高得多，生物需要長得短小精悍，肢體比例粗壯，骨質結實，才能抵抗自身的體重；行星表面的大氣濃密黏滯，行走的感覺跟在地球上游泳差不多，做天文研究和航天事業(yè)可能很艱難，因為濃密的大氣層嚴重阻擋星光，且難以找到足以掙脫行星引力的合適燃料。

4 探索超級地球認識生命起源

截至2025年6月5日，人類已經(jīng)確認了5917顆系外行星，分屬4413個行星系，其中994個行星系擁有多顆行星。瀏覽這個系外行星目錄會發(fā)現(xiàn)，其中多數(shù)都很古怪：離主星非常近，幾天就能繞行一圈；體積或質量超大，頂?shù)蒙虾脦讉€木星；表面溫度很高，大氣中橫飛著熔融的玻璃雨……再看太陽系，真是天堂一般的存在。

其實，“系外行星古怪”是探測方法造成的假象。在遙遠的星際探測系外行星，必然先發(fā)現(xiàn)那些最能撼動主星、遮擋星光、形成引力透鏡、干擾其他行星的極端目標，何況它們還頻頻“出鏡”，在觀測設備退役前現(xiàn)身多次。而類似地球這樣遠遠繞著太陽慢慢轉的小不點兒，恐怕是最難發(fā)現(xiàn)的。

凌星中間時刻變化法的優(yōu)勢在于它在“古怪行星”的基礎上繼續(xù)“開疆拓土”，去發(fā)現(xiàn)那些較小的、公轉周期更長的“正常”行星。此次，云南天文臺領銜研究團隊公布的新發(fā)現(xiàn)，一方面為探測系外“地球”提供了新途徑，使凌星中間時刻變化法成為發(fā)現(xiàn)類太陽恒星宜居帶中“隱形行星”的有力工具；另一方面，為我國未來的空間天文任務，如中國載人航天工程巡天空間望遠鏡（CSST）、地球2.0（ET）項目等，提供了新的觀測目標和探測技術支持。

科學家熱衷于探索系外行星尤其是超級地球，意義何在？是地球快不行了，需要星際移民嗎？

當然不是。按照人類已有的科技水平，目前遠遠做不到星際移民，相比之下，保護地球家園要現(xiàn)實、容易得多?？茖W家探索系外行星的熱情源于多重科學動機和深遠人文意義。通過研究系外行星的形成，可以揭示行星系統(tǒng)的普遍規(guī)律，進而理解太陽系和地球的起源。系外行星的多樣性顛覆了人們對行星系統(tǒng)的傳統(tǒng)認知，推動了行星形成理論的修正。尋找潛在宜居星球以及生命活動的痕跡，能夠深入理解生命存在的條件、為生命普遍性研究提供樣本。探索任務需要高精度光譜儀、空間望遠鏡、引力波探測等技術手段，同時促進了天文、物理、化學、生物學的交叉研究。

總而言之，“我們孤獨嗎”這個千古難題，人類會繼續(xù)思考下去。而發(fā)現(xiàn)類太陽恒星宜居帶內(nèi)的類地行星，是關鍵一步。

（作者為中國科普作家協(xié)會會員）