另一种地球状况

51 Pegasi，一颗不寻常的行星 b

系外行星 51 Pegasi b 由 Michel Mayor 和 Didier Quelot 于 1995 年发现，是一颗巨大的气态行星，质量约为木星的一半（图 1）。应用有关太阳系行星的常识，气态巨行星远离其主恒星太阳。例如，木星距太阳75亿公里。

根据太阳系内的常识，气态巨行星应该距离其主恒星较远，并且具有较长的轨道周期。然而51 Pegasi B却大大偏离了这个常识。虽然它是一颗巨大的气态行星，但它距离主恒星仅约780万公里，绕主恒星公转一周的周期仅为423天。在太阳系的行星中，水星距离太阳最近，但距离太阳约5984万公里，公转周期为88天。只需比较这两颗行星，您就可以看到 51 Pegasi b 与其主恒星的距离有多近以及它的移动速度有多快。

[图1]第51飞马座b
有关太阳系的常识不适用于这颗行星，例如它与主恒星的距离以及轨道周期的速度。
©ESO/M。科恩梅瑟/尼克·瑞辛格

当漂浮在太空中的气体和尘埃被暗物质的引力吸引时，恒星和行星就产生了。当气体和灰尘聚集在一处时，中心的密度和压力迅速增加。当超过一定的密度和压力时，核心开始发生核聚变反应，一颗可称为婴儿恒星的原恒星诞生。剩余的气体和尘埃扩散到原恒星周围的圆盘中，形成原行星盘。这个原行星盘中的气体和尘埃逐渐聚集并形成行星（图2）。

[图2]行星创建过程
人们认为，气体和尘埃盘通过反复碰撞和合并而扩散并成长为行星。
来源：科学年表https://wwwrikanenpyojp/FAQ/tenmon/faq_ten_007html

在太阳系中，靠近太阳的有水星、金星、地球和火星等小型岩石行星，距离较远的木星和土星等气态巨行星，以及更远的天王星和海王星等巨大的冰行星。靠近太阳的地方会接收大量来自太阳的热量，因此只剩下耐热的岩石和金属，而这些物质就形成了小型的岩石行星。

另一方面，在远离太阳的地方，从太阳到达它们的热量很少，因此冰粒漂浮在太空中而不会融化。换句话说，由于形成行星的物质比靠近太阳的地方更多，因此有可能形成比岩石行星更大的核心。据估计，仅木星的冰和岩石核心就比地球大 10 至 45 倍。

据说木星和土星由于冰的存在而形成了巨大的核心，冰收集了它们原行星盘中的剩余气体，并将它们变成了气态巨行星。与木星和土星一样，天王星和海王星通过吸收岩石和冰粒形成了大型核心，但由于它们位于太阳系之外，因此人们认为它们的核心比木星和土星生长得更慢，从而减少了它们可以吸收的气体量。

修订的行星形成理论

飞马座 51 b 等气态巨行星距离其主恒星非常近，因此被称为“热木星”。由于附近主恒星的热量，热木星被认为具有较高的表面温度（图 3）。发现飞马座 51 b 后，其他天文学家回顾了过去的观测数据，并确认他们观测到了一颗热木星。大多数天文学家无法从观测数据中辨别出热木星的存在，因为他们受到有关太阳系行星的常识的束缚。

[图3]热木星图像
人们认为表面很热是因为它近距离暴露在主恒星的热量下。
©NASA/JPL-加州理工学院

随着越来越多的系外行星被观测到，人们越来越清楚除了热木星之外还存在其他行星。那就是“偏心行星”（图4）。太阳系中行星的轨道接近圆形并且位于同一平面上。然而，这颗偏心行星的轨道是一个高度扭曲的椭圆形。它的轨道与太阳系中的彗星接近，有时离主星很近，有时又很远，与我们太阳系的行星相比，它是一颗非常奇怪和古怪的行星。

[图4]偏心行星的轨道
偏心行星 HD96167 b 的轨道与太阳系行星轨道的比较。
来源：冈村定则http://astro-dicjp/extrasolar-planet-2/

热木星和偏心行星是最大的系外行星之一，相对容易找到。因此，许多这样的行星是从观测之初就被发现的。这些系外行星是太阳系中不存在的一类行星。它到底是怎么创造出来的？

之前以太阳系行星为中心的理论认为，行星是在其当前位置形成的，并且它们与太阳的距离几乎保持不变。太阳系诞生于大约46亿年前，但地球、木星和土星的位置与现在的位置相差不大。根据这个想法，热木星是在距离其主恒星非常近的地方形成的。然而，主星附近的区域会被主星发出的热量和光显着加热，因此作为核心材料的冰粒不可能存在。经过多次讨论，天文学家修改了他们现有的理论，纳入了一些行星在形成期间或形成后改变轨道的想法。

如何制造一颗热木星和一颗古怪的行星

创造热木星的过程可以总结如下。首先，在远离主恒星的原行星盘的外部区域形成岩石或冰核，那里有丰富的冰粒和其他形成行星核心的材料。核心由于其强大的引力而成为气态巨行星后，一些作用导致其在原行星盘内移动。在这种情况下，人们认为触发这颗气态巨行星运动的可能是其他行星的引力或原行星盘中存在的气体，但目前还没有明确的结论。

然而，如果一颗巨大的气态行星距离其主恒星太近，它就会被主恒星吞噬。目前尚不清楚是什么原因导致了这种情况的发生，但例如，如果原行星盘中的气体远离主恒星，则气态巨行星可能会因气体间隙而被卡住。人们认为，以这种方式靠近其主恒星的气态巨行星变成了热木星。

然而，随着系外行星探索的不断进展以及许多系外行星的被发现，人们越来越清楚，热木星只是众多系外行星中的一小部分。人们在远离主恒星的地方发现了许多气态巨行星，只有约1%的类似太阳的恒星拥有热木星（图5）。

[图5]已发现系外行星的大小和轨道周期
随着系外行星探索的不断深入，人们发现了各种系外行星，不仅包括热木星，还包括远离主恒星的气态巨行星。
©NASA/艾姆斯研究中心/Natalie Batalha/Wendy Stenzel

热木星是靠近其主恒星的巨大行星，很容易观察并在系外行星中脱颖而出。尤其是早期，观测技术还不是很先进，所以很多容易观测到的热木星引起了人们的关注，但即使在系外行星中，热木星似乎也属于少数。

另一方面，偏心行星又如何呢？据说偏心行星也掌握着气态巨行星的关键。在我们的太阳系中，只有两颗气态巨行星：木星和土星。这两颗行星对彼此的轨道运动影响很小，并且很稳定。如果原恒星盘中有大量气体，那么形成三颗或更多气体巨行星也就不足为奇了。

如果形成三颗巨行星，即使它们在诞生后立即沿着接近圆形的轨道运行，它们的轨道也会由于彼此的引力而发生复杂的变化。随着这些变化的积累，气态巨行星的轨道变成椭圆形，最终导致它们相互碰撞。计算机模拟显示，三颗行星中的一颗将被抛出行星系统，但其余两颗将以椭圆轨道保留在行星系统内。偏心行星可能是气态巨行星之间剧烈碰撞的遗迹。

有外星生命吗？

1995 年至 2019 年间，已发现超过 4,000 颗系外行星（图 6 和图 7）。我们的太阳系所属的银河系被认为包含 2000 亿至 4000 亿颗恒星。虽然无法确认是否全部都有行星，但如果根据迄今为止的观测结果进行统计，可以毫不夸张地说，宇宙中大多数恒星的周围都存在行星。

[图6]迄今为止发现的系外行星数量
来源：冈村定则http://astro-dicjp/extrasolar-planet-2/

【图7】系外行星探测器开普勒发现的系外行星
开普勒发射之前发现的系外行星（左）和开普勒发射之后发现的系外行星（右）。开普勒发现的系外行星以黄色显示。开普勒发现了许多地球大小的系外行星。
©美国宇航局

随着人们越来越清楚宇宙中存在许多系外行星，研究人员的兴趣已转向外星生命的存在。热木星和偏心行星基本上都是气态巨行星，没有海洋或陆地，因此被认为基本上没有生命。

迄今为止，地球是浩瀚宇宙中唯一被证实存在生命的地方。无法保证外星生命与地球上的生命非常相似。然而，在地球以外的地方还没有发现生命的情况下，除了在地球上寻找生命的线索之外别无选择。目前认为生命的出现必须满足三个条件：“有机物质”、“液态水”和“能量”。

地球上的生命体由有机物组成，包括蛋白质。尽管关于最早的生物的原材料来自哪里仍然是一个谜和一个争论的话题，但有机物质的存在对于生命的创造至关重要。此外，生命通过在自己体内引起化学反应、为其活动提取能量以及复制自身来维持自身。液态水在维持这种机制方面发挥着重要作用。通过溶解各种物质，水为各种物质相遇和反应提供了场所。

有些人可能认为第三种能量是在体内产生的。确实，生物通过在体内进行化学反应来产生所需的能量。然而，如果追根溯源，它是由地球地下的岩浆和太阳供给的。今天地球上之所以有如此多的生命，是因为有足够的来自太阳的能量。

综合考虑这些条件，最有可能支持外星生命的系外行星是表面有液态水的岩石行星。当 Mayol 和 Kellot 首次发现 51 Pegasi b 时，人们认为使用多普勒方法很难探测到岩石行星。这是因为与气态巨行星相比，岩质行星的质量极低，因此很难检测到其主恒星的摆动。

然而，随着51 Pegasi b的发现以及系外行星确实存在的确认，许多研究人员加入了对系外行星的搜寻，引发了激烈的竞争。因此，观测设备的性能不断提高，以获得比竞争对手稍好一点的数据。虽然没有重大的技术创新，但观测设备的整体性能通过一系列的小改进逐渐提高，例如仔细控制接收器的温度以防止温度变化，将观测数据电缆改为光纤以减少噪音，以及提高观测设备所用部件的精度等。 2005 年，即 Mayol 和 Kellot 发现系外行星 10 年后，超级地球被发现，这是质量数倍于地球的岩石行星（图 8）。

[图8] 2005年发现的第一个超级地球Gliese 876d的图像
©国家科学基金会，特伦特·辛德勒

观测宜居带内的岩石行星

NASA（美国国家航空航天局）开普勒系外行星探测器发射后，系外行星观测数量迅速增加，超级地球和与地球大小相似的行星数量也随之增加。其中，最受关注的是位于宜居区内的那些。宜居带是距主恒星距离适中的区域，行星表面可以存在液态水（图 9）。此外，该区域被认为提供了生命活动所需的适量能量。也就是说，它具备了生命存在的全部三个条件：有机物、液态水、能量，因此它是一颗极有可能支持地外生命的行星。

【图9】太阳系快乐区
来源：科学年表https://wwwrikanenpyojp/FAQ/tenmon/faq_ten_003html

2014 年，距地球约 492 光年的岩石系外行星 Kepler-186f 被发现并成为热门话题（图 10）。 Kepler-186f的直径是地球的11倍，距离地球相当近。 Kepler-186f与其主恒星Kepler-186之间的距离大约仅为地球与太阳之间距离的04倍，但Kepler-186比太阳小，并且被分离成一颗弱红矮星，因此处于宜居带内。这是首次发现如此大小且位于宜居带的系外行星，人们对它可能孕育生命抱有很高的希望。然而，由于Kepler-186f距离地球较远，无法获得有关行星质量或是否有大气层的详细信息。外星生命存在的可能性很大，但目前还没有办法证明。

[图10] Kepler-186f 的图像
生命很可能以与地球相似的大小存在
©NASA/艾姆斯/SETI 研究所/JPL-加州理工学院

因此，天文学家正在寻找距离地球更近的系外行星。然而，如果我们将其限制在靠近地球的区域，那么靠近太阳的恒星数量就会受到限制。因此，焦点是红矮星周围的系外行星。例如，2016年7月，据报道首次观测到位于距离地球40光年的红矮星TRAPPIST-1周围的系外行星TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c的大气层（图11）。

[图11] TRAPPIST-1行星系统的图像
一颗岩石行星，可能拥有类似地球或金星的大气层。生命存在的可能性增加取决于大气主要成分的观测结果
©NASA/JPL-加州理工学院

研究小组使用哈勃太空望远镜通过观察行星经过其宿主红矮星前方时视半径的变化来估计两颗系外行星的大气成分。这两颗行星的大小都与地球大致相同，并且由于其大小而被认为是岩石行星，但对其大气层的测量表明，这两颗行星都可能是岩石行星，其大气层与地球和金星相似。然而，这些行星大气层的主要成分及其适宜居住的潜力仍不清楚。

此外，2019 年 9 月公布的观测结果证实，距离地球 124 光年的红矮星 K2-18 行星 K2-18b 的大气层中含有水蒸气（图 12）。 K2-18b是一颗超级地球，体积约为地球的两倍，但它位于K2-18的宜居带内，其表面有可能存在液态水海洋。虽然目前的观测结果无法证实K2-18b上存在海洋，但同时证实岩石行星和水的存在还是首次。

[图12] K2-18b的图像
首次证实水的存在的岩石行星。对生命存在的期望增加
©ESA/哈勃，M Kornmesser

对下一代望远镜的期望

希望如果我们能够更详细地检查系外行星的大气层，我们也许能够从其组成部分获得外星生命的痕迹或间接证据。对于TRAPPIST-1b、1c和K2-18b来说，可以说我们距离获得生命证据又近了一步。然而，利用当前的观测系统，很难进行更详细的研究。

然而，在2020年代，主要由NASA开发的詹姆斯·韦伯太空望远镜（图13）、欧洲南方天文台（ESO）正在规划的E-ELT（欧洲极大望远镜）（图14）以及主要由美国卡内基天文台建造的GMT（巨型麦哲伦）州和亚利桑那大学。望远镜（图15）等新一代望远镜预计将陆续投入运行。一旦这些下一代望远镜开始全面观测，将有可能观测到各种系外行星的详细大气层，地外生命的存在可能会变得更加确定。

[图13]詹姆斯·韦伯太空望远镜
©美国宇航局

[图14] E-ELT图像
©ESO/L。卡尔卡达

[图15] GMT图像
©MasonMediaInc

寻找外星生命的行星通常被称为“寻找第二个地球”。由于与地球条件相似的行星上很可能存在生命，因此此类行星被称为“第二地球”或“另一个地球”。但目前，目标是红矮星周围的系外行星。

众所周知，红矮星发出的光比太阳的光弱，并且含有更多的近红外辐射。即使生命存在于接受与太阳不同的光线的系外行星上，也并不一定意味着它拥有与地球相似的环境。无论环境如何，在地球以外的地方发现生命将有助于我们更深入地了解生命是什么。我真的很期待未来的观测，以找出什么样的行星支持外星生命。

作家

荒船芳孝（荒船芳孝）

科普作家

在东京理科大学就读期间开始担任科普作家。他的研究领域广泛，从宇宙学到日常生活中经历的科学现象，并进行研究和写作活动。我想向尽可能多的人传达科学的乐趣，科学每天都在不断有新的发现。他的主要著作包括《通过五个谜团了解宇宙》（平文社）和《你想告诉人们的关于地球的神秘琐事》（长冈书店）。