【光明日報·國際教科·縱深報道】

　　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，對于科學(xué)家們來說有多難嗎？甚至，這種觀測本身在科學(xué)界也是一次天文競賽，背后有著不為人知的血與淚。

　　雖然科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆行星，但幾乎沒有一顆可以直接成像。現(xiàn)在，科學(xué)家運(yùn)用最先進(jìn)的觀測技術(shù)，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(chǔ)。

　　裝著GPI的雙子星南方望遠(yuǎn)鏡。

　　在遙遠(yuǎn)的智利中部的安第斯山脈，夜空深邃，群星暗淡。星座淹沒于繁星之中，很難辨認(rèn)。在2015年5月的一個夜晚，當(dāng)布魯斯·麥金托什（Bruce Macintosh）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(fēng)越來越大，而他頭頂?shù)暮阈情W爍得有點(diǎn)厲害。

　　麥金托什在這里尋找另一個地球——或者更準(zhǔn)確的說是另一個木星。許多科學(xué)家認(rèn)為，這類觀測對于尋找?guī)r質(zhì)、宜居帶內(nèi)的類地行星是必要的。他并不像其他天文學(xué)家那樣，對一個天體進(jìn)行幾個月甚至幾年的長時間觀測，直到恒星的位置發(fā)生了微小的移動，或者恒星亮度的變化揭示了系外行星的存在。麥金托什的興趣在于對遙遠(yuǎn)的行星拍照，把它們看作是遙遠(yuǎn)恒星周圍的光點(diǎn)，從數(shù)光年之外觀看它們快速旋轉(zhuǎn)的氣態(tài)表面。作為斯坦福大學(xué)的天文學(xué)家，麥金托什將這稱為“直接成像技術(shù)”。

　　除了風(fēng)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(xué)家讓-呂克·伯齊（Jean-Luc Beuzit）也在試圖做同樣的觀測。在法國格勒努布爾行星學(xué)與天體物理學(xué)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(yùn)和資金讓他們同時出現(xiàn)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(xué)競賽中，麥金托什的特殊設(shè)備是一個價值數(shù)百萬美元、小轎車大小的復(fù)雜的光學(xué)與波前傳感儀器。該設(shè)備被稱為雙子星系外行星成像儀（GPI）。儀器安裝于主鏡直徑為8米的雙子星南方望遠(yuǎn)鏡上，拋光的鍍銀玻璃圓盤主鏡的面積，相當(dāng)于1/8個標(biāo)準(zhǔn)籃球場。

　　伯齊也有“秘密武器”，他的設(shè)備有小貨車那么大，被稱為光譜偏振高分辨系外行星研究儀器（SPHERE），安裝于歐洲南方天文臺甚大望遠(yuǎn)鏡陣中的一個望遠(yuǎn)鏡上，這個望遠(yuǎn)鏡的直徑也是8米。這兩個儀器都研發(fā)了十幾年，近幾個月內(nèi)才完成初光（即首次投入使用）。從兩個山頂出發(fā)，麥金托什和伯齊幾乎在觀測同樣的恒星天體。他們都希望，自己的團(tuán)隊第一個拿到類木行星的照片。

　　過去20年間，在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)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、至少處于宜居帶內(nèi)的行星，光線仍然太暗弱，而且它們距離恒星還是太近。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(gòu)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(jīng)用到了當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)，人類現(xiàn)在還無法建造出夠大、夠精良的望遠(yuǎn)鏡，從鄰近恒星耀眼的星光中，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(shè)備，那幾乎可以肯定的是，這些設(shè)備是從GPI和SPHERE發(fā)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(shù)只夠給天文學(xué)家提供一些復(fù)雜的觀測數(shù)據(jù)，而要得到直觀的結(jié)果，往往需要數(shù)月甚至數(shù)年的分析才行。直接成像的優(yōu)勢是，也許只需幾個小時或幾天，天文學(xué)家就能收到觀測設(shè)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。

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　　龜兔賽跑

　　在2014年5月的那個晚上，身處望遠(yuǎn)鏡控制室的麥金托什盯著一排電腦屏幕監(jiān)控著GPI。在GPI正式開始搜尋新的行星之前，首先要經(jīng)過試運(yùn)行階段——較長時間的測試與校準(zhǔn)。這個階段始于2013年下半年，在2014年5月的時候，已經(jīng)進(jìn)入了最后階段。這項工作單調(diào)而乏味，因為沒有一個人因其確保了儀器的正常運(yùn)行而獲獎。在這以分鐘計量的競賽中，GPI領(lǐng)先了剛剛開始試運(yùn)行的SPHERE25萬分鐘，這一點(diǎn)讓麥金托什感到欣慰。但是SPHERE擁有一套更強(qiáng)大的儀器，并且獲準(zhǔn)使用望遠(yuǎn)鏡的時間也比GPI多，這使得SPHERE能夠在比較寬的波長范圍，在更大視場、更高空間分辨率上觀測更多的星體。換句話說，即使GPI處于領(lǐng)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(tuán)隊的觀測工作。在等待風(fēng)消退的過程中，麥金托什告訴了我，幾年前，這兩個團(tuán)隊的人誰也沒有想到未來的競爭會如此激烈。麥金托什強(qiáng)調(diào)說：“即使在現(xiàn)在，他們也不是真正意義上的敵人——云和風(fēng)才是他們共同的敵人”。

　　歐洲天文臺的望遠(yuǎn)鏡陣。

　　幾個小時后，風(fēng)力減弱了，“好了，現(xiàn)在我們開始觀測HD95086，”坐在旋轉(zhuǎn)椅上的麥金托什向12個團(tuán)隊成員說道。其他成員立馬開始工作，向隔壁圓頂房間內(nèi)的電腦發(fā)出指令。很快，望遠(yuǎn)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1700萬年的年輕恒星，擁有一顆5倍于木星質(zhì)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(tuán)隊會比較新圖像與早期圖像的結(jié)果，來校準(zhǔn)GPI。

　　與GPI探尋的其他星球一樣，這顆特殊的行星自形成以后，還沒有冷卻下來，會發(fā)出紅外線。在亮度上，大多數(shù)行星的亮度都只有恒星的百萬分之一，就像熾熱火球周圍的點(diǎn)點(diǎn)塵埃。年輕木星則有所不同，它們更像是篝火之后剩下的還紅彤彤的余灰，這就是為什么GPI或者SPHERE有希望看到它們，并且了解它們是怎樣形成和演化的。

　　為類木行星拍照

　　當(dāng)GPI團(tuán)隊準(zhǔn)備觀測HD95086時，一個單色圓圈突然出現(xiàn)在了麥金托什的屏幕上，圓圈里似乎填充著打了馬賽克的流體，像是數(shù)字化處理后的流水特寫鏡頭。“這是受到了風(fēng)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(qū)動我們的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)”。

　　自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)是一組由電腦控制的變形鏡。為了克服因大氣導(dǎo)致的畸變，這些變形鏡在一秒鐘內(nèi)變形幾百次甚至上千次，讓天文學(xué)家能拍攝到可與空間望遠(yuǎn)鏡相媲美的照片。敲了幾下鍵盤，并對團(tuán)隊下達(dá)口頭指令后，麥金托什啟動了GPI的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。在望遠(yuǎn)鏡的底端安裝著兩塊GPI的變形鏡，一塊是市售現(xiàn)成的“woofer”鏡（低分辨率、低速、變形幅度大），另一塊稍小一點(diǎn)，是專門定制的“tweeter”鏡（高分辨率、高速、變形幅度小），有4000多個促動器。現(xiàn)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(yuǎn)鏡上空每處會導(dǎo)致光線模糊的瞬時空氣擾動，使得星光恢復(fù)到近乎完美的狀態(tài)。結(jié)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(wěn)定。現(xiàn)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。

　　為了讓這顆恒星的已知行星顯現(xiàn)出來，麥金托什采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后會有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(dá)到了原子量級。麥金托什解釋說，恒星的光會射入孔中，而行星的光則會被平面鏡反射，進(jìn)入儀器中，抵達(dá)一個能把光線按波長分解成不同組分的超低溫光譜儀。

　　現(xiàn)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余星光形成的。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(qū)分散斑和行星，GPI團(tuán)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，一幀一幀前后滾動著不同波長的圖像，光暈隨著所有光斑的統(tǒng)一移動而膨脹收縮。所有的光斑中，只有一個比較特殊：從恒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(diǎn)。不到半個小時，我們就從只能看到風(fēng)，到了可以看到其他恒星身旁的一顆遙遠(yuǎn)行星。進(jìn)一步分析GPI數(shù)據(jù)中的行星光譜后，研究者發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)烈散射的結(jié)果。

　　并非所有目標(biāo)都這樣難以觀測，那些更近、更亮的恒星很樂意向我們透露它們的秘密。早些時候，GPI團(tuán)隊只用單次60秒的曝光就拍攝到了Beta Pictoris b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。如此輕松就能看到該行星，這說明直接成像終于成了一種常規(guī)手段：稍早安裝在雙子星南方望遠(yuǎn)鏡上的另一個直接成像儀之前也獲得了類似的Beta Pictoris b圖像，盡管它需要一個多小時的觀測和大量的圖像處理工作。GPI團(tuán)隊得到的新圖像使他們對Beta Pictoris b軌道的估算達(dá)到了前所未有的精確度。他們還發(fā)現(xiàn)，從地球角度來看，該行星會在2017年擋在其恒星前面，發(fā)生凌星現(xiàn)象——這種罕見的排列有助于科學(xué)家更好地了解這顆遙遠(yuǎn)的巨行星。

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　　在日出前剩下的幾個小時中，GPI團(tuán)隊拍攝了雙星和黯淡的塵埃盤，甚至還穿透土衛(wèi)六濃厚而朦朧的碳?xì)浠衔锎髿猓^察它斑駁的表面。

　　在6天觀測周期的最后一個夜晚，GPI團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星。該行星圍繞著一顆年齡約為2000萬年的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，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(xué)伯克利分校的博士后羅伯特·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(diǎn)。隨后的觀測顯示，這是一個質(zhì)量相當(dāng)于木星2～3倍的行星，距離地球100光年，是天文學(xué)家迄今為止觀測到的與木星最為相像的行星。

　　“這是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的第一顆看上去是溫暖版的木星而不是低溫恒星的行星。”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(zhì)量和年齡，并查明它是自內(nèi)而外形成的（我們認(rèn)為木星就是這樣形成的），還是像恒星一樣過由外到內(nèi)形成的。”

　　一個新的時代

　　離開了麥金托什，我趕到了伯齊團(tuán)隊這里。在一間狹小的控制室內(nèi)，SPHERE團(tuán)隊的領(lǐng)導(dǎo)者伯齊正在調(diào)度準(zhǔn)備即將開始的試運(yùn)行。SPHERE在試運(yùn)行階段表現(xiàn)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(huán)。HR4796A是一顆距離地球237光年的恒星，位于半人馬星座，年齡大約為800萬年。

　　伯齊告訴我，盡管已經(jīng)拍到了許多漂亮的照片，但在我到訪的這一晚，SPHERE還沒有準(zhǔn)備好去發(fā)現(xiàn)新的行星，它的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)出了點(diǎn)問題。在造價100萬歐元，有1377個單元的SPHERE變形鏡上，有些負(fù)責(zé)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，改成采用其他促動器技術(shù)的變形鏡。即使如此，他仍樂觀地認(rèn)為SPHERE和GPI都會超額完成各自的科學(xué)目標(biāo)。與此同時，儀器的試運(yùn)行必須繼續(xù)下去。這次試運(yùn)行已在今年年初結(jié)束了，并獲得了第一批早期科學(xué)觀測數(shù)據(jù)，對先前已經(jīng)拍攝到的行星系統(tǒng)進(jìn)行了成像觀測。

　　當(dāng)我問到SPHERE和GPI的競爭時，伯齊的第一反應(yīng)只是微笑并抿了一口咖啡，片刻后他很認(rèn)真地說：“一旦我們都開始發(fā)現(xiàn)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(jīng)相識15年，我們都知道這項任務(wù)有多困難，我們共同慶祝成功，分享遭遇的困難，改進(jìn)各自的系統(tǒng)，為下一代天文臺和成像儀器鋪平道路。”

　　“隨著這些觀測設(shè)施在幾乎同一時間啟用，我們正進(jìn)入一個新的時代。”加州理工學(xué)院教授，同時擔(dān)任SPHERE首席儀器科學(xué)家的德米特里·馬維特說：“我們將會有許多奇妙的發(fā)現(xiàn)，我們也會大幅度地推進(jìn)自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。而這將是下一代望遠(yuǎn)鏡的基礎(chǔ)，那些望遠(yuǎn)鏡需要這類控制技術(shù)來維持巨大鏡面的形態(tài)。”

　　下一代望遠(yuǎn)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。在我拜訪后不久，為了給歐洲極大望遠(yuǎn)鏡清理出地基，山頂被炸平了。歐洲極大望遠(yuǎn)鏡是將在未來十年中投入運(yùn)行的三大超級望遠(yuǎn)鏡之一。這些望遠(yuǎn)鏡將擁有口徑達(dá)30米或40米的超大主鏡。把它們那前所未有的強(qiáng)大集光能力與SPHERE或GPI這類系統(tǒng)結(jié)合起來，不僅能夠拍攝自身會發(fā)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(jìn)行直接成像，從而在距離太陽最近的那些恒星周圍，拍攝到可能適宜生命居住的行星。然后，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，這一愿望一直激勵著GPI、SPHERE等項目背后的團(tuán)隊成員。

　　當(dāng)我在雙子星南方望遠(yuǎn)鏡與麥金托什交談時，他也說了類似的話：“我把我們現(xiàn)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巖質(zhì)行星所占的比例，而且發(fā)現(xiàn)這個數(shù)字其實非常小，那將是非常重要的事情。這一發(fā)現(xiàn)可能在很長一段時間內(nèi)都對人類文明的進(jìn)步?jīng)]有什么實際影響。但在哲學(xué)上，認(rèn)識到‘在1000光年以內(nèi)，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(diǎn)，別把地球搞砸了。”

　　（撰文 李·比靈斯（Lee Billings） 翻譯 劉成超 本文由《環(huán)球科學(xué)》雜志社供稿）

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