以追寻系外行星为己任的天文学家们有了令人眩目的发现：我们的星系拥有上千亿颗与火星、金星也许还有地球相似的行星。那么，我们是否能够更加确信宇宙中存在其他生命形式呢？事实上，如此断言还为时过早，因为被揭开神秘面纱的其他“地球”数量愈多，我们的蓝色星球就愈显独特。而这将使一切都发生改变……

编译 武峥灏

    为在1995年首次发现太阳系外行星而闻名于世的瑞士天文学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor）最近提出：“至少有30%的类太阳恒星周围有行星绕行。” 单单这一宣言就足以引起学界的强烈反响。而由迈克尔·梅耶（Michael Meyer）所领导的美国亚利桑那大学研究组同时证实说：“60%～80%的年轻恒星都拥有正在形成中的类地行星。”这样一来，事情更加变得一发而不可收，因为这些冰冷的数据为我们描绘的是一场彻头彻尾的革命。这场革命不仅体现在天文学领域，还体现在人类对于自身在宇宙中所处位置的形而上意识方面。这些数据表明，我们所在的银河系中闪耀着2000亿～5000亿颗恒星，这意味着它极有可能包含着数万亿颗行星……而在这些行星中，更存在着上千亿颗 “地球”！这里“地球”是指体积较小、密度较大、覆盖或未覆盖大气层的类地行星，就像太阳系中的水星、金星、火星和地球。直到不久之前，在有关太阳系外行星系统的探索研究中，所发现的大部分都是类似于木星、土星、天王星和海王星的巨行星。
    有关银河系拥有数千亿计“类地”行星的发现使得情况彻底发生了改变。因为从今以后，天文学家们梦寐以求的目标就是在这不计其数的“地球”中，找到我们这颗蓝色星球真正的孪生姐妹，同样拥有温和的气候、可供呼吸的大气层、能够提供养分的流动水源……总而言之，就是可供生命存在或已经有生命存在的行星。虽然这一目标尚未实现，但是候选者已经竞相涌现，近年来发现的多颗行星都有可能适宜生命形式的存在。
    竟然有数千亿颗其他“地球”……事实上，这一令人咋舌的数字在天文学界流传已经有一段时间了，但一直都没有任何客观的科学数据对其予以支持。在米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）发现首颗太阳系外行星后的10年中，天文学家们基本上是在守株待兔，今天这里一颗，明天那里一颗，要知道这些在茫茫宇宙中遨游的行星实在是很难定位。

天文学上的“大规模捕捞”

    但是自本世纪初以来，天文学家利用5种精准度极高的技术向宇宙深处投出网眼细密的“渔网”。正是这一天文学上的“大规模捕捞”使天文学家们在不知不觉中跨入了统计学时代。此后许多研究团队都在宇宙各处发现了新的行星，它们或是位于预料之中的地点，或是出现在谁都想不到会有行星存在的地方——例如在白矮星、红矮星、巨恒星和已经死亡的星周围，简直是无所不在……以至于天文学家们开玩笑说，如果发现一颗没有行星的恒星那实在不合情理！米歇尔·马约尔补充道：“要是把所有由于技术原因而暂时无法探测到的系外行星考虑在内，我们可以认为所有恒星都拥有自己的行星！”
    这一美好设想的提出主要依据两点。首先，天文学家们的研究发展至今可谓“十年磨一剑”。自1995年以来，他们从未间断对数千颗恒星的追踪，以期探测到它们的行星。而时间对于行星的发现工作起着至关重要的作用，要根据行星围绕恒星的运转来发现其踪迹，至少需要行星在公转轨道上完成一半的路程。在观测的最初，天文学家所发现的无疑都是距离恒星很近的行星，只要几天或几周时间就能围绕恒星公转一周，如水星围绕太阳公转周只需区区88天。
    通过10多年的积累，天文学家们现在已经能够发现公转周期长达数月乃至数年的行星，也就是说距离恒星更为遥远的行星！随着时间的推移，今后发现的行星，它们的公转轨道将离恒星越来越远，就好比太阳系的木星、土星、天王星和海王星。
    另一方面，天文测量仪器的精确度不断提高，精确度更高的光谱摄影仪和体形更为庞大的天文望远镜能够帮助天文学家发现体积越来越小的行星。这两大因素共同作用的结果就是，以米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹的欧洲研究组和美国伯克利大学杰弗里·马西（Geoffrey Marcy）的研究组为代表的各主要研究团队已经获得完整的统计样本。更确切地说，研究人员们已经可以宣布他们找到了多少颗恒星周围的全部行星，以及这些行星位于怎样的范围之内，又达到了怎样的质量。
    而情况正是由此出现了令人震惊的变化。截至2008年9月1日，天文学家已在“宇宙狩猎图”上标示出被发现的大约350颗行星，从而获得了可以说具有代表性的行星样本。有了这个样本，天文学家便能推算出银河系及其他星系乃至整个宇宙中存在多少颗行星！即使这些数据只是理想化且略带抽象的，但各个研究中心计算机上所显示的那一连串零仍然让人头晕目眩。
    如果说单单我们所在的星系内就有上千亿颗“地球”，那么整个宇宙空间中又存在多少与地球类似的世界呢？每位天文学家都能通过简单的计算发现，仅在目前宇宙唯一可见的部分就有大约1000亿个星系，那么宇宙中行星的数量就可能达到100万亿。

几乎无穷无尽的舞台

    为这一令人瞠目的数字感到欢欣鼓舞的不仅有天文学家，还有以寻找外星生命为专长的宇宙生物学家。20年前没有人知道宇宙中是否存在其他行星，而今天可以让有关专家们一展身手的舞台几乎有无限大。
    除了发现不计其数的行星外，天文学家还获得了另一项更为重要的发现。要理解这一发现，首先要知道自文艺复兴和伽利略、哥白尼、牛顿等科学奠基者所处的时代以来，所有的天文学研究都是围绕“哥白尼原则”的建立、验证和巩固而进行的。“哥白尼原则”认为我们所处的宇宙小小角落只不过是浩瀚星海中的普通一员，没有任何理由认为我们的太阳系是宇宙中的特殊存在。这一“普遍性原则”体现出无与伦比的力量和高效。因为按照此项原则，天文学家只要通过对局部宇宙空间的观察就能建立普遍适用的法则。虽然这一原则的主要倡导者之一布鲁诺被不愿放弃地球神圣特殊性的宗教裁判所送上了火刑架，但进步却势不可挡。伴随着400年来天文学的不断发展，“哥白尼原则”为恒星、星系、宇宙整体和支配宇宙的物理法则的发现指明了方向。
    由此可以认为，我们居住的这颗普通行星围绕着一颗普通的恒星运行，这颗普通恒星处于普通星系中一个普通的区域，而这个普通星系也处于宇宙中的一个普通区域。这一切听起来是如此真实，天文学家根本不会对哥白尼原则是否适用于太阳系产生哪怕一秒钟的怀疑，因为这无疑是不言而喻的。这也是为什么上世纪90年代初，当多个科学研究小组开始寻找太阳系外行星时，首先对好似太阳孪生姐妹的恒星周围进行了侦测。

太阳系的特殊性

    众所周知，第一颗系外行星是在飞马座51（51 Peg）——一颗与太阳几乎一模一样的恒星周围发现的。这颗几乎是紧挨着飞马座51运行的气体巨行星让天文学家们吃惊不已，但这种“异常”情况最终被理解为简单的观测局限。因为在当时，只有那些绕行轨道极短的行星才可能被探测到。米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹碰巧发现了一个极为罕见的天体，一颗不同寻常的行星，接下来的一切都是未知……于是，天文学家纷纷调转他们的天文望远镜，继续在恒星群中寻找与我们的星系相似的行星系。
    然而，13年来，天文学家们一无所获！更为糟糕的是，随着新的行星不断被发现，一个不争的事实逐渐浮出水面：原本被认为是“异类”的行星其实才是普遍规则的体现，而像太阳系行星这样原先被认为是再普通不过的行星却成为特殊现象！由此天文学家终于意识到，我们所在的太阳系也许是一个十分独特的行星系，400年来哥白尼原则首次被打破！法国波尔多天体物理学实验室天文学家弗兰克·塞尔西斯（Franck Selsis）说道：“我们的宇宙观念正在发生重大变化。近10多年以来我们所发现的行星系呈现出惊人的多样性。面对这种多样性，我们的太阳系或许在不久之后就会成为特例！”

非典型形成
    太阳系的结构显得颇具“匠心”：体积较小、密度较大的岩石类行星“乖巧”地聚集在太阳周围，而密度较小的巨行星则分布在更远的地方！相关理论也对太阳系的完美结构作出了明确的解释：太阳系在46亿年前诞生时，太阳周围由尘埃和气体构成的原始星盘受到年轻恒星所释放的射线的影响。因此在太阳周围只有那些耐热物质才能抵御太阳的炙热高温，从而形成水星、金星、地球、火星这些主要由硅和金属构成的大密度硬质行星。而在远离太阳的地方，易挥发物质冻结成为固体，最终形成巨行星。天文学家一直认为这是行星系形成的必经之路，直到数十个乃至数百个行星系被发现之后，才发现这一形成过程不仅不是唯一的可能，甚至完全不符合普遍规律！弗兰克·塞尔西斯解释道：“我们发现了与太阳系极不相同的行星系。在这些行星系中存在着公转周期极短的巨行星、公转轨道不是圆形而是极其扁长的椭圆形的行星、处于岩石类行星和巨行星之间的中等质量的行星，这些都是太阳系所不拥有的……”

全新的革命
    为了对行星系的多样性和太阳系出人意表的特殊性做出解释，科研人员发起了一场全新的与传统完全背道而驰的“哥白尼革命”。笛卡儿、布鲁诺、哥白尼、伽利略、牛顿等实验研究先驱是在自然法则普遍性的基础上建立起各自的科学理论，虽然这一理论基础并未被完全颠覆，但今后科学家们必须要放弃“我们是宇宙中普通一员”这个现成的预判原则了……
    除了天文学观测结果，理论学家们还通过描述行星系形成的方程式发现了与太阳系并无相似之处的行星系。美国西北大学天文学家爱德华·汤姆斯（Edward Thommes）、松村素子（Soko Matsumara）和弗雷德里克·罗西奥（Frederic Rasio）在2008年8月8日出版的《科学》（Science）杂志上，解释了他们如何利用超级计算机首次对上百个不同行星系的形成和演变进行了模拟，计算机强大的计算功能帮助理论学家们重现了旋转中的气体尘埃盘演变成行星系的过程。这三位科学家首先对天文学家由来已久的猜想进行了验证，证明了行星是在绝对混乱的情况下诞生的，气体盘与新生行星之间的相互作用让后者犹如飞蛾扑火般坠向恒星，而行星的轨道也会因受到行星间相互作用的影响而呈现扁长椭圆形的形状。在这场混沌之初的“撞球游戏”里，许多行星或是直接投入恒星的怀抱，或是被驱逐出行星系。因此，在恒星与恒星之间很可能有数十亿颗惨遭放逐的行星迷失在黑暗而冰冷的宇宙深渊之中。

可居住的行星？
    爱德华·汤姆斯、松村素子、弗雷德里克·罗西奥获得的关键性成果更在于，他们发现，要想形成与太阳系相似的行星系，即其中的岩石类行星和巨行星都以接近完美的圆形围绕恒星公转，这需要满足极为严苛和罕见的初始条件！如果原始星盘密度过大，行星的诞生过程会变得暴烈而混乱；如果情况正相反，原始星盘密度过小，只会形成体积很小的行星而非巨行星，但后者很可能对于类地行星上生命的出现起着举足轻重的作用……
    爱德华·汤姆斯最后得出结论：“根据天文观测和计算机模拟，我们可以预见类似太阳系这样的行星系在宇宙所有行星系当中，与其说是普遍规律，倒不如说是罕见特例。”
    从仅仅银河系中就存在着不计其数的行星系这个角度看来，上述说法是否显得过于绝对了呢？不能轻下结论。如果科研人员想要在宇宙中找到可供生命存在、甚至已经有生命存在的行星，那么这些行星首先要符合一系列极为严格的筛选标准。而这正是系外行星研究目前所处矛盾境地的写照：一方面，数百亿个行星系为研究工作提供了广阔的前景；另一方面，随着研究的不断深入，发现如太阳系这样可供生命发展的行星系的希望似乎越来越渺茫……