由中國科學(xué)院云南天文臺研究員顧盛宏領(lǐng)銜的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)首次利用凌星中間時刻變化反演技術(shù)，在類太陽恒星的宜居帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)一顆質(zhì)量約為地球10倍的超級地球——開普勒-725c。國際著名科學(xué)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(shù)？科學(xué)家熱衷探索的超級地球，對天文學(xué)或行星科學(xué)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(xué)院云南天文臺、德國漢堡天文臺、西交利物浦大學(xué)和中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所組成的國際聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，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(xiàng)發(fā)現(xiàn)是從開普勒空間望遠(yuǎn)鏡的觀測數(shù)據(jù)中發(fā)掘出來的。開普勒空間望遠(yuǎn)鏡是系外行星探測史上的傳奇，在已經(jīng)確認(rèn)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(xué)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(yuǎn)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(jì)起），其大小和木星差不多，平均每39.643天圍繞主星轉(zhuǎn)一圈。

說“平均”是有理由的：云南天文臺領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)通過深挖原始數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，開普勒-725b的公轉(zhuǎn)不太準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，還有一顆行星干擾了開普勒-725b的運(yùn)行，最終他們通過凌星中間時刻變化反演，計(jì)算出這顆隱身行星的質(zhì)量和軌道參數(shù)，并將其編號為開普勒-725c。

開普勒-725c的質(zhì)量約為9.7個地球，每207.5天圍繞主星轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軌道比較扁，偏心率達(dá)0.436，就是說，它繞著主星轉(zhuǎn)的時候，相當(dāng)于在地球軌道和水星軌道之間來回穿梭，“寒暑”切換相當(dāng)劇烈。

此次開普勒-725c受到極大關(guān)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(yùn)行的超級地球中，它是唯一測得質(zhì)量的。這項(xiàng)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(lǐng)先意義的一大突破。

2 五大主流技術(shù)支持行星“找尋”

天上的星星都十分遙遠(yuǎn)，就連離地球最近的比鄰星，光線都要走4年多才能到達(dá)。距離越遠(yuǎn)，星光越暗，許多恒星用超級強(qiáng)大的望遠(yuǎn)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(xué)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(zhuǎn)”，實(shí)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(zhì)心轉(zhuǎn)。太陽系的“巨無霸”木星和太陽的共同質(zhì)心就在太陽體外47300公里的地方，它們都圍著這個共同質(zhì)心轉(zhuǎn)。這就好比鏈球運(yùn)動員發(fā)力的時候，鏈球在空中轉(zhuǎn)大圈子，運(yùn)動員在地面轉(zhuǎn)小圈子。當(dāng)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(lán)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(lán)，遠(yuǎn)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(jìn)而推算出造成晃動的那顆行星有多重、多久轉(zhuǎn)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(yuǎn)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?qū)Φ锰貏e齊，當(dāng)它圍著恒星轉(zhuǎn)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(shí)在太陽系內(nèi)也有類似的天象，即水星凌日和金星凌日，當(dāng)凌日發(fā)生時，能看到一顆小黑點(diǎn)從日面緩緩劃過，不過肉眼體會不到太陽變暗，因?yàn)楹阈呛托行堑拇笮沂?，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(shè)備來說，一丁點(diǎn)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(fù)出現(xiàn)，就可以確認(rèn)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(yuǎn)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(yuǎn)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(zhǔn)對齊。以金星為例來體會這一點(diǎn)：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(yán)重。此次，云南天文臺聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)周期進(jìn)行計(jì)時，就有機(jī)會發(fā)現(xiàn)其他隱匿的行星。有趣的是，這個方法兩個世紀(jì)前就在太陽系內(nèi)成功使用過，那時是因?yàn)樘焱跣沁\(yùn)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(xué)家勒威耶通過計(jì)算，預(yù)言了這顆未知行星（即海王星）的位置，和實(shí)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(zhì)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(yuǎn)的星光經(jīng)過近處的大質(zhì)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(yuǎn)的背景恒星作為參考光源，來觀察近處的目標(biāo)恒星。銀河系的恒星都在圍著銀河系中心運(yùn)動，群星之間彼此會偶然遮擋。當(dāng)近處的目標(biāo)恒星從背景恒星前方橫過時，由于引力透鏡效應(yīng)，我們能看到一次閃光。如果目標(biāo)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(diǎn)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(fù)觀測。

5.直接成像法 原本以為無法看到的行星，也有機(jī)會直接進(jìn)入望遠(yuǎn)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(dāng)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(dāng)拿到系外行星的基本資料，如體積、質(zhì)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(xué)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(guān)注的是還在進(jìn)行氫核聚變的主序星。我們希望它不要太大，因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星的核聚變遠(yuǎn)比小質(zhì)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(dāng)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(zhì)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(zhì)量小于0.2個太陽的紅矮星，壽命可達(dá)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(yuǎn)以一面對著主星，就像月球永遠(yuǎn)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(yuǎn)冰封，生命或許只能生存在陰陽交界的地方。

接下來，科學(xué)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(jié)構(gòu)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(yīng)都可以在其中進(jìn)行。二是在常見物質(zhì)中，液態(tài)水的比熱（物質(zhì)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(yán)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(jié)。

假設(shè)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(zhì)結(jié)實(shí)，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?yàn)闈饷艿拇髿鈱訃?yán)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(rèn)識生命起源

截至2025年6月5日，人類已經(jīng)確認(rèn)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(zhì)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(shí)，“系外行星古怪”是探測方法造成的假象。在遙遠(yuǎn)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(biāo)，何況它們還頻頻“出鏡”，在觀測設(shè)備退役前現(xiàn)身多次。而類似地球這樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)繞著太陽慢慢轉(zhuǎn)的小不點(diǎn)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(chǔ)上繼續(xù)“開疆拓土”，去發(fā)現(xiàn)那些較小的、公轉(zhuǎn)周期更長的“正常”行星。此次，云南天文臺領(lǐng)銜研究團(tuán)隊(duì)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(wù)，如中國載人航天工程巡天空間望遠(yuǎn)鏡（CSST）、地球2.0（ET）項(xiàng)目等，提供了新的觀測目標(biāo)和探測技術(shù)支持。

科學(xué)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(dāng)然不是。按照人類已有的科技水平，目前遠(yuǎn)遠(yuǎn)做不到星際移民，相比之下，保護(hù)地球家園要現(xiàn)實(shí)、容易得多。科學(xué)家探索系外行星的熱情源于多重科學(xué)動機(jī)和深遠(yuǎn)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(jìn)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(rèn)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(wù)需要高精度光譜儀、空間望遠(yuǎn)鏡、引力波探測等技術(shù)手段，同時促進(jìn)了天文、物理、化學(xué)、生物學(xué)的交叉研究。

總而言之，“我們孤獨(dú)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(guān)鍵一步。

（作者為中國科普作家協(xié)會會員）