編者按：第三屆世界頂尖科學(xué)家論壇將于10月30日-11月1日在上海舉行。包括61位諾貝爾獎得主在內(nèi)，近140位諾貝爾獎、圖靈獎、菲爾茲獎、沃爾夫獎、拉斯克獎等全球頂尖科學(xué)獎項得主出席。論壇期間將有130余場科學(xué)家獨立演講、70余場主題峰會，大部分活動將通過網(wǎng)絡(luò)向公眾直播。

在過往的兩屆世界頂尖科學(xué)家論壇上，宇宙是科學(xué)家繞不開的話題。科學(xué)殿堂的頂級獎項諾貝爾獎，更是連續(xù)兩年將物理學(xué)獎頒給了天體物理學(xué)領(lǐng)域。

澎湃新聞特此整理世界頂尖科學(xué)家論壇往屆參與者關(guān)于宇宙熱點話題——系外行星的討論。2019年諾貝爾物理學(xué)獎得主米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲，今年也將再次來到世界頂尖科學(xué)家論壇，帶來新的觀點。

2019年，諾貝爾物理學(xué)獎花落系外行星，這個世紀(jì)范圍內(nèi)曾經(jīng)只有8個人研究的“冷門”領(lǐng)域，終獲正名。獲獎?wù)哒J(rèn)為，我們的下一代將面臨的問題是：可不可能探測到外星生命？

太陽系外行星，簡稱系外行星，泛指在太陽系以外的行星。人類發(fā)現(xiàn)的首顆系外行星是“飛馬座51b”，于1995年報告發(fā)現(xiàn)。這是一顆巨大的氣態(tài)行星，雖然和地球差異懸殊，但足夠顛覆人類的宇宙觀，引發(fā)了一場天文學(xué)革命。

“飛馬座51b”的發(fā)現(xiàn)者米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）及其學(xué)生迪迪?！た迤潱―idier Queloz）因此斬獲了2019年的諾貝爾物理學(xué)獎。

“之前大部分天文學(xué)家都不認(rèn)為有其他的行星系統(tǒng)，大家都覺得太陽系非常獨特。”馬約爾說道，在他發(fā)現(xiàn)系外行星的時候，世界范圍內(nèi)只有4個2人小組在尋找系外行星。

50光年外的“擺動”

馬約爾1942年1月出生在瑞士洛桑。他并非從小就認(rèn)定了物理，只是熱愛廣義上的科學(xué)。馬約爾相信，即便當(dāng)初選擇了地球物理或者火山學(xué)，他一樣會迸發(fā)出同樣的激情。

因此，24歲在洛桑大學(xué)完成理論粒子物理方向上的碩士研究后，馬約爾較為隨性地決定攻讀天文學(xué)博士。所幸的是，上世紀(jì)60年代正是歐洲天文學(xué)界的黃金時代，主流的實驗室都在擴張，因此，馬約爾很容易就在日內(nèi)瓦天文臺找到了職位。

他的博士論文涉及星系的旋臂結(jié)構(gòu)，但就在拿到博士學(xué)位的前夕，馬約爾又產(chǎn)生了一個隨性的靈感：恒星的運行軌道是否會揭示出星系內(nèi)的天體構(gòu)成？

要解答這個問題，必須精確地測量恒星的徑向速度，即天體在地球觀察視線方向上的運動速度。當(dāng)恒星靠近或遠離地球，它的光譜會發(fā)生藍移或紅移，就像救護車加速駛近時鳴笛聲調(diào)變高，加速遠離時聲調(diào)又變低。

這種測量超過了他的能力范圍。幸運的是，他在劍橋大學(xué)訪問期間遇到了一位志同道合的同事，開發(fā)出一種新型的自動多普勒光譜儀。隨后，法國南部的上普羅旺斯天文臺邀請他為更大型的望遠鏡設(shè)計類似的儀器。

半路出家的馬約爾對多普勒光譜儀的精度做出了顛覆性的改進，對此，他深感驕傲。馬約爾研制的首臺設(shè)備測量徑向速度的精度約為300米/秒，在不斷改進下，發(fā)現(xiàn)人馬座51b的ELODIE光譜儀精度達到了15米/秒。目前，馬約爾使用的光譜儀精度為1米/秒，而年輕的同事們已經(jīng)開發(fā)出10厘米/秒精度的新設(shè)備。

顛覆性的精度改進會帶來顛覆性的發(fā)現(xiàn)。有了ELODIE光譜儀，發(fā)現(xiàn)人馬座51b的蹤跡只是時間問題。

這是因為，行星的引力會拉扯恒星，使得它的光譜產(chǎn)生有規(guī)律的“擺動”。稍加計算，就可以推測出行星的周期、質(zhì)量和軌道形狀。

1994年，馬約爾和迪迪埃申請到了望遠鏡觀測時間，每隔兩個月可以觀測一周。他們鎖定了一大批需要追蹤的恒星目標(biāo)，每個周期觀測一個。

當(dāng)年年底，馬約爾前往夏威夷休假，迪迪埃留守上普羅旺斯。沒想到，他前腳剛走，迪迪埃就在約50光年外的人馬座51恒星上看到了“擺動”。

28歲的年輕人并沒有感到驚喜，而是驚嚇。他覺得，一定是自己的計算出現(xiàn)了問題。直到反復(fù)確認(rèn)了將近半年，迪迪埃才敢向?qū)焻R報自己疑似發(fā)現(xiàn)了人類歷史上第一顆系外行星。馬約爾只回復(fù)了兩個單詞：“是的，可能吧。”

時隔24年，馬約爾在斬獲諾獎后剖析當(dāng)時的心情，“我們要牢記，在20世紀(jì)下半葉，曾有許多團隊宣稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但最終都被證明是錯誤的結(jié)果。因此，我作為教授，必須足夠謹(jǐn)慎，不要再貢獻一篇錯誤的論文。畢竟，根據(jù)當(dāng)時的理論，像木星那樣的大型氣態(tài)行星一定會有超過10年的公轉(zhuǎn)周期，但我們發(fā)現(xiàn)的天體的公轉(zhuǎn)周期只有4天，差距將近1000倍。這個偏差太大了，我必須很謹(jǐn)慎?！?/p>

最終，馬約爾決定在投遞論文前最后確認(rèn)一次。1995年7月，當(dāng)恒星飛馬座51再次出現(xiàn)在觀測視野里，他們進行了重新測量。

“徑向速度變化的振幅和相位都完全一樣，直到此刻我們才確信了這是一顆行星。我們?nèi)匀徊恢罏槭裁此墓D(zhuǎn)周期這么短，這是個大難題，但我們發(fā)現(xiàn)的確實是行星無誤?！被叵肫甬?dāng)年的情景，馬約爾說道。

馬約爾和迪迪埃兩家人在南法進行了一些慶?；顒?，隨后就加班加點寫論文，趕在當(dāng)年8月底投給了《自然》雜志。1995年10月6日，他們在意大利佛羅倫薩舉辦的一場學(xué)術(shù)會議上報告了這個發(fā)現(xiàn)。

我們有鄰居嗎？

到目前為止，科學(xué)家們僅在銀河系中就發(fā)現(xiàn)了超過4000顆太陽系外行星。已知最近的系外行星是“比鄰星b”，距離地球4.25光年。

現(xiàn)在，馬約爾還在智利沙漠中，利用HARPS光譜儀在新恒星的誕生區(qū)域?qū)ふ腋嗟南低庑行?，確保光譜儀在數(shù)年內(nèi)都能穩(wěn)定工作。馬約爾特別提到了HD10180這個星系，科學(xué)家在其中發(fā)現(xiàn)了超過7顆行星。

但是，什么樣的行星上可能存在生命？

生命要想在某顆行星上繁衍生息，液態(tài)水的存在至關(guān)重要，這意味著行星必須處于恒星的“宜居帶”內(nèi)——行星與恒星距離適當(dāng)，溫度條件允許液態(tài)水存在。2007年，11位科學(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)首顆位于宜居帶的系外行星“吉利斯581c”，其中就有馬約爾。

那么，人類在宇宙中孤獨嗎？

對于這個問題，馬約爾曾一本正經(jīng)地對記者強調(diào)了兩遍“科學(xué)”：“科學(xué)，從科學(xué)角度來講，我們只能通過觀測來判斷外星生命，沒有理論能預(yù)測出來?！?/p>

2019年9月11日，一篇發(fā)表在英國《自然·天文學(xué)》雜志上的研究稱，科學(xué)家們首度在太陽系外一個行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了水蒸氣的存在，且該行星的溫度也與地球相似，具備支持生命存在的兩大條件。

這個代號為K2-18b的系外行星于2015年被發(fā)現(xiàn)，是美國宇航局觀測到的“超級地球”行星之一。它距離地球約110光年，位于獅子座，質(zhì)量是地球的8倍，體積為地球的兩倍。

K2-18b按照其與所繞行恒星的距離估算，這顆行星上的溫度應(yīng)在47攝氏度到零下73攝氏度之間，與地球溫度相似。在目前所發(fā)現(xiàn)的超過4000個系外行星中，這是第一個已知有巖石表面且大氣含水的行星。

科學(xué)家們想探討的是這個星球的可居住性問題。不過，科學(xué)家們同時強調(diào)，盡管這個行星上可能有液態(tài)水，但K2-18b不是另一個地球，K2-18b所繞行恒星與行星上的大氣層都與地球大不相同。

而美國科學(xué)家也在《天體物理學(xué)雜志》撰文稱，他們首次將系外行星的大氣化學(xué)納入模型內(nèi)，研究M矮星周圍行星的宜居性，重新定義了系外行星潛在宜居的條件，減少了搜尋地外生命目標(biāo)天體的數(shù)量。

M矮星約占宇宙中恒星的70％，是一類相對涼爽又暗淡的恒星，繞其運行的行星被認(rèn)為是尋找系外生命的最佳場所。目前最新研究顯示，科學(xué)家首次將氣候建模與大氣化學(xué)和光化學(xué)相結(jié)合。

研究表明，這些恒星的輻射量對于繞其運行的行星是否宜居至關(guān)重要。例如，他們發(fā)現(xiàn)，圍繞釋放出大量紫外線輻射的恒星運行的行星，其上的水可能會因為蒸發(fā)而大量喪失。

此外，許多位于恒星宜居帶內(nèi)的行星實際上可能無法維持生命的存在和繁衍，因為它們的臭氧層很薄。這意味著，某些以前被認(rèn)為宜居的行星可能正遭受太多紫外線輻射，因此，其表面難以維持復(fù)雜生命繁衍生息。

留給年輕人的古老問題

系外行星和外星生命是一個非常古老的話題。

2000多年前的古希臘唯物主義哲學(xué)家伊壁鳩魯就曾提出，存在無限個世界，有些與我們所處的相似，有些截然不同。有些存在生命，有些死氣沉沉。

“這些問題在現(xiàn)代天文物理學(xué)界依然存在。我們這一代人享有的優(yōu)勢是，我們具備探索宇宙的技術(shù)。而我們的下一代將面臨的問題是：可不可能探測到外星生命？這對年輕人來說不是一個次要的問題，而是非常重要的問題?！瘪R約爾說道。

在馬約爾看來，如今天文學(xué)最激動人心的一個研究方向就是生物記號，即暗示行星上存在生命活動的光譜特征。要分析行星的光譜，難點在于剔除掉它圍繞的恒星的光線，畢竟，行星反射出的光線相比起恒星本身微如螢火。

24年前，馬約爾和迪迪埃用新一代光譜儀捕捉到系外行星的魅影。在24年后的今天，地面上許多超大望遠鏡即將張開巨眼，新一代太空探測衛(wèi)星也蓄勢待發(fā)。隨著兵器庫的更新，年輕人們或能解答那個終極問題。

盡管馬約爾強調(diào)“科學(xué)”，但他也轉(zhuǎn)折道，“我個人覺得系外行星上可能有生命。當(dāng)然這需要滿足很多條件，但系外行星的數(shù)量也很多。”他認(rèn)為，宇宙中有數(shù)百億顆甚至數(shù)千億顆星球，它們肯定會有溫度、水分等合適的組合。馬約爾較為肯定地說，“我相信外星生命應(yīng)該會存在。不一定是像你我這樣的生命，可能是簡單的形式。細菌就算生命了?！?/p>

“現(xiàn)在已經(jīng)不是說我們是太陽系內(nèi)的生命，而是叫宇宙的生命，隨著地理、物理、生物、化學(xué)的發(fā)展，天文也在不斷發(fā)展，這是非常長的故事，到最后我們必定會得到一些關(guān)于生命的答案?！钡系习１硎?。

這個答案是什么？我們真能找到其他星球上的生命嗎？迪迪埃無法確定，他認(rèn)為，除非我們現(xiàn)在找到一個跟地球一模一樣的星球，那就可以肯定這個星球上一定有生命。如果這個星球跟地球非常不一樣，也許也會被科學(xué)家錯過，因為我們根本不知道該看什么、該關(guān)注什么。

迪迪埃說，其實生命就是由各種各樣的化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成，關(guān)鍵是要有這些合適的化學(xué)物質(zhì)，并且是否存在一些元素可以保護星球?！艾F(xiàn)在有一些人開始倒退構(gòu)建原始狀態(tài)，因為我們知道地球現(xiàn)在是什么樣的，我們想去構(gòu)建當(dāng)初的樣子，我覺得這種做法是有局限性的，因為很多東西很難回到真正的原點。”但迪迪埃認(rèn)為仍然有希望，因為科學(xué)家可以研究成百上千個類似于地球的行星。

迪迪埃的老師馬約爾更將對地外生命的思考上升到哲學(xué)高度，“歸根到底，我們要思考的是，生命到底是宇宙演變當(dāng)中必然會出現(xiàn)的一部分，還是非常獨特的、獨一無二的，就在地球發(fā)生?！瘪R約爾說，這聽上去是個哲學(xué)問題，但在他看來也是一個有科學(xué)維度的問題。

現(xiàn)在，伊壁鳩魯設(shè)想的第一部分已經(jīng)得到驗證，那么關(guān)于其他世界上存在生命的設(shè)想到底是否正確呢？“這是我給年輕人提出的問題。”馬約爾說。