通往地球2.0的中間站

裝著GPI的雙子星南方望遠鏡。

歐洲天文台的望遠鏡陣。前不久，全世界都為地球找到了「另一半兒」而興奮。可是，你知道這尋找「伴侶」的過程，對於科學家們來說有多難嗎？甚至，這種觀測本身在科學界也是一次天文競賽，背後有著不為人知的血與淚。雖然科學家已經發現了數千顆行星，但幾乎沒有一顆可以直接成像。現在，科學家運用最先進的觀測技術，試圖給類木行星等巨行星拍照，為更直觀地探索類地行星奠定基礎。在遙遠的智利中部的安第斯山脈，夜空深邃，群星暗淡。星座淹沒於繁星之中，很難辨認。在2015年5月的一個夜晚，當布魯斯·麥金托什（BruceMacintosh）看向星空的時候，一些東西困擾著他。哪怕是在海拔2700米的地方，他依然只能透過「空氣的海洋」望向天空。風越來越大，而他頭頂的恆星閃爍得有點厲害。麥金托什在這裡尋找另一個地球——或者更準確的說是另一個木星。許多科學家認為，這類觀測對於尋找岩質、宜居帶內的類地行星是必要的。他並不像其他天文學家那樣，對一個天體進行幾個月甚至幾年的長時間觀測，直到恆星的位置發生了微小的移動，或者恆星亮度的變化揭示了系外行星的存在。麥金托什的興趣在於對遙遠的行星拍照，把它們看作是遙遠恆星周圍的光點，從數光年之外觀看它們快速旋轉的氣態表面。作為斯坦福大學的天文學家，麥金托什將這稱為「直接成像技術」。除了風的問題，還有一件事令麥金托什感到不安——他有一個對手。在他600公里以南的另一個光禿的山峰上，天文學家讓-呂克·伯齊（Jean-LucBeuzit）也在試圖做同樣的觀測。在法國格勒努布爾行星學與天體物理學研究所工作的伯齊，既是麥金托什的朋友亦是競爭對手。命運和資金讓他們同時出現在這些山頭上尋找系外行星，目的是弄清地球是否只是宇宙中的滄海一粟。在這一天文學競賽中，麥金托什的特殊設備是一個價值數百萬美元、小轎車大小的複雜的光學與波前感測儀器。該設備被稱為雙子星系外行星成像儀（GPI）。儀器安裝於主鏡直徑為8米的雙子星南方望遠鏡上，拋光的鍍銀玻璃圓盤主鏡的面積，相當於1/8個標準籃球場。伯齊也有「秘密武器」，他的設備有小貨車那麼大，被稱為光譜偏振高分辨系外行星研究儀器（SPHERE），安裝於歐洲南方天文台甚大望遠鏡陣中的一個望遠鏡上，這個望遠鏡的直徑也是8米。這兩個儀器都研發了十幾年，近幾個月內才完成初光（即首次投入使用）。從兩個山頂出發，麥金托什和伯齊幾乎在觀測同樣的恆星天體。他們都希望，自己的團隊第一個拿到類木行星的照片。過去20年間，在天文學家發現的5000多個系外行星中，幾乎沒有一個可以直接拍攝到。直接對系外行星拍照異常困難，因為從地球上來看，即使最大的、至少處於宜居帶內的行星，光線仍然太暗弱，而且它們距離恆星還是太近。對系外行星直接成像，即使是幾個很小的像素上的像，也能對行星的構成、大氣成分以及是否有生命存在的可能，有很大的了解。通過GPI和SPHERE尋找類木行星，已經用到了當前最先進的技術，人類現在還無法建造出夠大、夠精良的望遠鏡，從鄰近恆星耀眼的星光中，分辨出類地行星微弱的行星光。如果我們真的建造出了可以直接觀測類地行星的設備，那幾乎可以肯定的是，這些設備是從GPI和SPHERE發展而來的。親自看到的東西才令人信服。雖然直接成像非常困難，但它的效率會更高。今天，主流的行星觀測技術只夠給天文學家提供一些複雜的觀測數據，而要得到直觀的結果，往往需要數月甚至數年的分析才行。直接成像的優勢是，也許只需幾個小時或幾天，天文學家就能收到觀測設備傳回的照片。這就是麥金托什和伯齊在拍攝類木行星首張照片的競爭上，分秒必爭的原因。龜兔賽跑在2014年5月的那個晚上，身處望遠鏡控制室的麥金托什盯著一排電腦屏幕監控著GPI。在GPI正式開始搜尋新的行星之前，首先要經過試運行階段——較長時間的測試與校準。這個階段始於2013年下半年，在2014年5月的時候，已經進入了最後階段。這項工作單調而乏味，因為沒有一個人因其確保了儀器的正常運行而獲獎。在這以分鐘計量的競賽中，GPI領先了剛剛開始試運行的SPHERE25萬分鐘，這一點讓麥金托什感到欣慰。但是SPHERE擁有一套更強大的儀器，並且獲准使用望遠鏡的時間也比GPI多，這使得SPHERE能夠在比較寬的波長範圍，在更大視場、更高空間解析度上觀測更多的星體。換句話說，即使GPI處於領先地位，SPHERE也能像伊索寓言中的烏龜那樣追趕上來，首先獲得第一張系外行星的圖像。大氣湍流引起的星體閃爍延誤了GPI團隊的觀測工作。在等待風消退的過程中，麥金托什告訴了我，幾年前，這兩個團隊的人誰也沒有想到未來的競爭會如此激烈。麥金托什強調說：「即使在現在，他們也不是真正意義上的敵人——雲和風才是他們共同的敵人」。幾個小時後，風力減弱了，「好了，現在我們開始觀測HD95086，」坐在旋轉椅上的麥金托什向12個團隊成員說道。其他成員立馬開始工作，向隔壁圓頂房間內的電腦發出指令。很快，望遠鏡就指向了船底座中一顆距地球300光年的白矮星——HD95086。這是一顆只有1700萬年的年輕恆星，擁有一顆5倍於木星質量、軌道大約為冥王星2倍的行星。以前那些功能稍弱的、具有直接探測能力的儀器曾觀測到這顆行星，麥金托什團隊會比較新圖像與早期圖像的結果，來校準GPI。與GPI探尋的其他星球一樣，這顆特殊的行星自形成以後，還沒有冷卻下來，會發出紅外線。在亮度上，大多數行星的亮度都只有恆星的百萬分之一，就像熾熱火球周圍的點點塵埃。年輕木星則有所不同，它們更像是篝火之後剩下的還紅彤彤的余灰，這就是為什麼GPI或者SPHERE有希望看到它們，並且了解它們是怎樣形成和演化的。為類木行星拍照當GPI團隊準備觀測HD95086時，一個單色圓圈突然出現在了麥金托什的屏幕上，圓圈裡似乎填充著打了馬賽克的流體，像是數字化處理後的流水特寫鏡頭。「這是受到了風的影響。」麥金托什說到。「星光會穿過大氣湍流照射在探測器上，而探測器會驅動我們的自適應光學系統」。自適應光學系統是一組由電腦控制的變形鏡。為了克服因大氣導致的畸變，這些變形鏡在一秒鐘內變形幾百次甚至上千次，讓天文學家能拍攝到可與空間望遠鏡相媲美的照片。敲了幾下鍵盤，並對團隊下達口頭指令後，麥金托什啟動了GPI的自適應光學系統。在望遠鏡的底端安裝著兩塊GPI的變形鏡，一塊是市售現成的「woofer」鏡（低解析度、低速、變形幅度大），另一塊稍小一點，是專門定製的「tweeter」鏡（高解析度、高速、變形幅度小），有4000多個促動器。現在，兩個變形鏡正在同步起伏扭動，用鏡面的凸起和凹陷，去匹配望遠鏡上空每處會導致光線模糊的瞬時空氣擾動，使得星光恢復到近乎完美的狀態。結果看起來十分神奇，麥金托什屏幕上變幻動蕩的圓圈變得平滑且穩定。現在，HD95086在屏幕上形成了一個非常明亮的像。但是，沒有行星的跡象。為了讓這顆恆星的已知行星顯現出來，麥金托什採用了一個能遮住大部分星光的星冕儀。在星冕儀中，星光通過一系列掩膜之後會有99%的光子被過濾掉。那些通過了星冕儀的星光則匯聚在一起，照射到一塊中心有一個孔的平面鏡上，這個孔的打磨精度達到了原子量級。麥金托什解釋說，恆星的光會射入孔中，而行星的光則會被平面鏡反射，進入儀器中，抵達一個能把光線按波長分解成不同組分的超低溫光譜儀。現在，屏幕上的圖像是圍繞著中心黑影（即HD95086）的光斑組成的白色光暈，那些斑塊被稱為散斑，是由星冕儀漏過的多餘星光形成的。在GPI的圖像中，散斑會掩蓋行星或者偽裝成一個行星。為了區分散斑和行星，GPI團隊會在紅外波段拍攝一系列不同波長的照片。麥金托什像放電影一樣，一幀一幀前後滾動著不同波長的圖像，光暈隨著所有光斑的統一移動而膨脹收縮。所有的光斑中，只有一個比較特殊：從恆星散斑的汪洋大海中，我們找到了孤零零的一個固定不動的行星光點。不到半個小時，我們就從只能看到風，到了可以看到其他恆星身旁的一顆遙遠行星。進一步分析GPI數據中的行星光譜後，研究者發現，該行星的顏色非常紅，這可能是光線被其高層大氣中的塵埃強烈散射的結果。並非所有目標都這樣難以觀測，那些更近、更亮的恆星很樂意向我們透露它們的秘密。早些時候，GPI團隊只用單次60秒的曝光就拍攝到了BetaPictorisb的圖像。這是一顆熾熱的年輕巨行星，距離地球63光年，它的軌道半徑幾乎是木星繞日軌道半徑的兩倍。如此輕鬆就能看到該行星，這說明直接成像終於成了一種常規手段：稍早安裝在雙子星南方望遠鏡上的另一個直接成像儀之前也獲得了類似的BetaPictorisb圖像，儘管它需要一個多小時的觀測和大量的圖像處理工作。GPI團隊得到的新圖像使他們對BetaPictorisb軌道的估算達到了前所未有的精確度。他們還發現，從地球角度來看，該行星會在2017年擋在其恆星前面，發生凌星現象——這種罕見的排列有助於科學家更好地了解這顆遙遠的巨行星。在日出前剩下的幾個小時中，GPI團隊拍攝了雙星和黯淡的塵埃盤，甚至還穿透土衛六濃厚而朦朧的碳氫化合物大氣，觀察它斑駁的表面。在6天觀測周期的最後一個夜晚，GPI團隊發現了第一顆系外行星。該行星圍繞著一顆年齡約為2000萬年的恆星運轉，軌道半徑是木星軌道半徑的兩倍。第一個注意到該星的人是加利福尼亞大學伯克利分校的博士後羅伯特·德·羅莎，他在觀看一些不起眼的GPI圖像時，察覺到了一個閃爍的光點。隨後的觀測顯示，這是一個質量相當於木星2～3倍的行星，距離地球100光年，是天文學家迄今為止觀測到的與木星最為相像的行星。「這是天文學家發現的第一顆看上去是溫暖版的木星而不是低溫恆星的行星。」麥金托什說。「這顆行星可能很年輕，仍然『記得』自己形成的過程。通過充分的觀測我們能夠確定它的質量和年齡，並查明它是自內而外形成的（我們認為木星就是這樣形成的），還是像恆星一樣過由外到內形成的。」一個新的時代離開了麥金托什，我趕到了伯齊團隊這裡。在一間狹小的控制室內，SPHERE團隊的領導者伯齊正在調度準備即將開始的試運行。SPHERE在試運行階段表現得非常好，拍攝到了許多出色的天體圖片，這其中包括一個圍繞著HR4796A的黯淡塵埃環。HR4796A是一顆距離地球237光年的恆星，位於半人馬星座，年齡大約為800萬年。伯齊告訴我，儘管已經拍到了許多漂亮的照片，但在我到訪的這一晚，SPHERE還沒有準備好去發現新的行星，它的自適應光學系統出了點問題。在造價100萬歐元，有1377個單元的SPHERE變形鏡上，有些負責彎曲鏡片的促動器無法工作。伯齊說，最終的解決方案可能把整個變形鏡換掉，改成採用其他促動器技術的變形鏡。即使如此，他仍樂觀地認為SPHERE和GPI都會超額完成各自的科學目標。與此同時，儀器的試運行必須繼續下去。這次試運行已在今年年初結束了，並獲得了第一批早期科學觀測數據，對先前已經拍攝到的行星系統進行了成像觀測。當我問到SPHERE和GPI的競爭時，伯齊的第一反應只是微笑並抿了一口咖啡，片刻後他很認真地說：「一旦我們都開始發現新的行星，沒人會記得是誰第一個。我不是說我們與美國人之間不存在競爭，但我和麥金托什已經相識15年，我們都知道這項任務有多困難，我們共同慶祝成功，分享遭遇的困難，改進各自的系統，為下一代天文台和成像儀器鋪平道路。」「隨著這些觀測設施在幾乎同一時間啟用，我們正進入一個新的時代。」加州理工學院教授，同時擔任SPHERE首席儀器科學家的德米特里·馬維特說：「我們將會有許多奇妙的發現，我們也會大幅度地推進自適應光學技術的發展。而這將是下一代望遠鏡的基礎，那些望遠鏡需要這類控制技術來維持巨大鏡面的形態。」下一代望遠鏡中的一個就計劃建造在SPHERE北邊20千米處、海拔3000米的阿瑪遜斯山的山頂。在我拜訪後不久，為了給歐洲極大望遠鏡清理出地基，山頂被炸平了。歐洲極大望遠鏡是將在未來十年中投入運行的三大超級望遠鏡之一。這些望遠鏡將擁有口徑達30米或40米的超大主鏡。把它們那前所未有的強大集光能力與SPHERE或GPI這類系統結合起來，不僅能夠拍攝自身會發出輻射的類木行星，也能對那些溫度更低，比木星暗1000倍的行星進行直接成像，從而在距離太陽最近的那些恆星周圍，拍攝到可能適宜生命居住的行星。然後，專門的空間直接成像觀測項目就能夠更深入地探索這類行星，搜尋生命信號。拍到這樣的照片，一睹太陽系外「地球」的芳容，這一願望一直激勵著GPI、SPHERE等項目背後的團隊成員。當我在雙子星南方望遠鏡與麥金托什交談時，他也說了類似的話：「我把我們現在做的每一件事情都視為爭取拍攝到另一個地球而作出的努力，將來的某一天我們會獲得它們的照片。如果我們最終得出了擁有海洋、大氣和氧等重要東西的小型岩質行星所佔的比例，而且發現這個數字其實非常小，那將是非常重要的事情。這一發現可能在很長一段時間內都對人類文明的進步沒有什麼實際影響。但在哲學上，認識到『在1000光年以內，我們的地球是唯一一個有生命的地方，』可能會提醒我們小心點，別把地球搞砸了。」（本文由《環球科學》雜誌社供稿）
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