天覆一天，恆星接恆星，天文學家們正逐漸接近了解我們的宇宙究竟有多麼擁擠——或者至少是我們的星系。在首次發現系外行星繞其他恆星執行四分之一個世紀後，從現在已知的數千顆行星的統計資料中可以看出，平均而言，銀河系中每一顆恆星居民都必須至少伴隨著一個世界。只要在銀河系中任何給定的恆星周圍長期而努力地尋找行星，你實際上肯定會遲早找到一些東西。
但即使是擁擠的宇宙也可能是孤獨的地方。我們行星豐富的銀河系可能被證明是生命貧乏的。在銀河系所有已知的世界中，只有極少數在大小和軌道上與地球相似——每一個都佔據著一個模糊的“金髮姑娘”區域，即恰到好處的區域——一個童話般簡單的理想，即一個世界既不太大也不太小，既不太熱也不太冷，足以在其表面維持液態水和生命。相反，銀河系的大多數行星都是理論家未能預測到的世界，並且尚未舒適地適應任何宜居性的概念：“超級地球”，比我們熟悉的地球更大，但比海王星更小。沒有超級地球圍繞我們的太陽旋轉，供太陽系內的科學家直接研究，這使得我們更難知道其他地方的超級地球是否是金髮姑娘世界——或者，就此而言，任何一刀切的宜居性指標是否都天真得無可救藥。
為了解決這些天體生物學之謎，需要新一代的望遠鏡和航天器來尋找和研究太陽系之外的宜居性和生命跡象。但支援或反對一個孤獨而擁擠的宇宙的證據可能出人意料地近在咫尺，從天體的角度來說。在2016年多年的仔細觀察後，最終揭示了一個地球大小的世界就在隔壁，位於半人馬座阿爾法星最小成員的溫帶軌道上，這個三星系統距離我們太陽系4.4光年，是離我們太陽系最近的。現在，對我們太陽系下一個最近的鄰居——巴納德星——的另一次詳盡搜尋，距離我們不到六光年，也在那裡發現了一顆候選行星——一顆更大、更冷的超級地球，暫定名為巴納德b星。這項行星發現是由一個由來自世界各地天文臺的60多名天文學家組成的國際團隊實現的，詳細資訊發表在11月14日《自然》雜誌的一項研究中。它為未來對離我們太陽系最近的兩顆熟悉但陌生的行星進行調查和比較打開了閘門。
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冰凍的超級地球？
“如果你住在一個擁有數百萬人口的城市，你不會對認識每個人都感興趣——但也許你想認識你的近鄰，”西班牙加泰羅尼亞空間研究所的天文學家、主要作者伊格納西·裡巴斯說。“這就是我們為圍繞著我們的恆星的行星系統所做的事情。否則我們就無法回答大問題。我們的太陽系和我們的地球如何適應銀河系的其餘部分？是否存在其他宜居或有人居住的行星？巴納德b星並沒有立即給我們這些答案，但它告訴了我們需要了解的故事的一部分。”
巴納德星位於蛇夫座，在可見光中非常暗淡，肉眼無法看到。然而，自1916年以來，它一直是天文學家的寵兒，當時的測量顯示，它在天空中的視運動比相對於我們太陽的任何其他恆星都大——這是它與宇宙極近距離的標誌。這顆恆星離我們很近只是暫時的——在數萬年內，它的軌跡將使其從我們太陽系的前五顆最近恆星的名單中掃除。
根據裡巴斯和他的同事的說法，這顆候選行星至少比我們自己的行星重三倍，並在233天的軌道上繞其恆星執行。這將使其處於我們黃色太陽周圍金星的炎熱軌道附近，但巴納德星是一顆相對較小且暗淡的紅矮星。這意味著它的新發現的伴星靠近“雪線”，雪線是水幾乎完全以冰凍冰的形式存在的邊界——其他恆星周圍的區域被認為充滿了行星，但天文學家才剛剛開始探測小世界。
在那裡，巴納德b星接收到的星光只有地球從太陽接收到的星光的2%——僅足以使其估計的平均溫度達到零下150攝氏度。也許，裡巴斯推測，這顆行星是岩石的，表面覆蓋著厚厚的冰層，其表面類似於木星和土星的冰凍衛星。在這樣的世界上，生命的前景似乎很渺茫——除非，類似於那些相同的衛星，它擁有一個地下海洋，透過內部熱量保持液態。在這種情況下，它的內部需要以某種方式保持溫暖很長時間——這顆行星的年齡被認為在60億到110億年之間，這是對巴納德星年齡的普遍估計。（相比之下，地球只有45億年曆史。）
或者，這顆行星可能被一層厚厚的絕緣氫氣毯覆蓋，這是它在圍繞恆星旋轉的氣體和塵埃盤中誕生時留下的。雖然較小、較熱的世界上的氫氣會消散到太空中，但寒冷軌道上的超級地球可能會設法保留足夠的氣體，從而產生巨大的行星變暖溫室效應——一種可能性，它將以地球為中心的金髮姑娘思想推向混亂。如果這種機制在巴納德b星或其他寒冷的超級地球上執行，“我們每個恆星都可能擁有一顆宜居行星的夢想很可能會實現，”馬薩諸塞理工學院的行星搜尋天體物理學家薩拉·西格說，她沒有參與裡巴斯的研究。“那裡有一些瘋狂的世界。”
被歷史困擾
唉，有些世界簡直好得令人難以置信。1963年，荷蘭天文學家彼得·範德坎普著名地“發現”了巴納德星周圍的行星——將恆星在天空中平面運動的假定偏移與看不見的世界的引力影響聯絡起來。到1970年代，進一步審查後，範德坎普假定的行星的證據正在消失，最終歸因於各種錯誤和疏忽，這些錯誤和疏忽汙染了他的觀測結果。儘管如此，範德坎普對他的主張的信念似乎堅定不移；在他生命的剩餘幾十年裡，他一直堅持認為這些行星是真實的。
那個警示故事仍然困擾著今天的行星獵人。即使現代巴納德星周圍世界的證據更加有力，恐懼仍然揮之不去。畢竟，如果歷史不重演，它也很容易押韻。“鑑於這顆恆星的行星主張的麻煩歷史，作者們非常勇敢地如此出頭，”荷蘭萊頓大學的天文學家伊格納斯·斯內倫說，他沒有參與這項研究。“這些是非常困難的測量！”
事實上，困難到一些專家仍然不相信。“既然行星無處不在，我想巴納德星周圍一定有行星，”耶魯大學的天文學家和資深行星獵人黛布拉·費舍爾說，她沒有參與這項假定的發現。“甚至可能有一顆質量是地球幾倍、週期為233天的行星。但在我看來，這項分析沒有提供足夠有力的支援。”
相比之下，瑞士日內瓦天文臺的天體物理學家澤維爾·杜穆斯克也沒有參與裡巴斯的研究，他認為巴納德b星的證據令人信服。“就這顆行星存在的可能性而言，我認為毫無疑問，”他說。“它的訊號非常清晰。”
巴納德b星的案例取決於一項卓越的資料收集和分析壯舉，它將來自全球各地大型地面望遠鏡上的七臺世界級儀器的數百次測量結果拼接在一起，跨越了20多年的時間。每次測量都跟蹤巴納德星的徑向速度——它朝向或遠離地球的運動，這可能會隨著伴隨行星的軌道拉動而前後擺動。歸因於巴納德b星的訊號是每秒略高於一米的擺動——一種步行速度尺度的效應，很容易被各種恆星活動或儀器誤差模仿。它在來自如此多不同調查的20年資料中出現強烈表明該訊號不是由儀器噪聲引起的，但明確排除恆星活動作為其來源要困難得多。即使是最頂級的徑向速度行星搜尋團隊也曾在不久的過去被這種恆星引起的誤報所困擾，聲稱轟動的新世界最終被證明是虛幻的。
在這裡，儘管巴納德星有著命運多舛的行星搜尋歷史，但它可能提供了一個優勢。它實際上是已知的最安靜的恆星之一，使其幾乎成為徑向速度工作的理想選擇。裡巴斯和同事堅持認為，他們已經從過去對幽靈世界的說法中吸取了艱難而必要的教訓。裡巴斯說，大量的後續觀測在很大程度上排除了星斑和其他明顯的行星模仿來源的影響，並且該研究的作者還進行了超過50萬次模擬，以得出訊號由更惡劣的恆星效應產生的可能性小於1%。裡巴斯說：“我超過99%確定這顆行星在那裡。“但我們心中有彼得·範德坎普的故事。如果有人提出強有力的論據反對我們的發現，我會承認！我不想成為21世紀的範德坎普。”
是時候拍照了嗎？
無論如何，關於這個有爭議的行星候選者的確定性可能很快就會到來。該團隊的工作已經排除了巴納德星周圍40天或更短軌道上的任何地球大小的行星，儘管它也發現了另一個潛伏在更遠處的行星的搖擺不定、尚未證實的跡象。（向範德坎普道歉，這樣的行星可能仍然與他之前的說法不太相符。）使用現有和即將到來的儀器進行的數百次額外徑向速度測量可以進一步提高對候選者真實性的信心，歐洲航天局的蓋亞航天器即將提供的資料也可以，該航天器跟蹤巴納德星和銀河系中超過十億顆其他恆星的運動，以繪製銀河系的三維地圖。
儘管極其不可能，但這顆行星可能恰好與我們從地球上的視角對齊，因此它會“凌日”——當它掠過巴納德星的表面時，會向我們的望遠鏡投射出可探測到的行星陰影。美國宇航局的已故開普勒航天器令人震驚地證明了凌日技術的成功，並被譽為美國宇航局凌日系外行星巡天衛星和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡未來系外行星觀測的關鍵推動因素，凌日技術已經交付了天文學家目錄中的大多數世界。但是，從地球上看，大多數行星都不會凌日，特別是那些像巴納德b星那樣在其恆星周圍寬軌道上的行星。
然而，這顆行星與其恆星相對較寬的分離提供了一個更有希望和誘人的可能性——拍攝它的照片的前景，或者用天文學家的話來說是“直接成像”。巴納德b星的快照可以揭示許多其他無法獲得的東西，最重要的是它的真實性質——一個冰凍的超級地球，一個氫氣包裹的溫室世界，或者可能是理論家尚未夢想到的東西。有了這樣的影像，天文學家就可以向解開我們擁擠宇宙的孤獨之謎邁出重要一步。
在2020年代，新一代的超大型地面望遠鏡將上線，它們可以勝任這項任務。每臺望遠鏡都將配備一個直徑約30米或更大的集光鏡，可以區分行星微弱的光子發射。但專家表示，在這些天文臺上拍攝行星照片的第一批儀器將針對熱成像進行最佳化——對於尋找可能冰冷的世界來說，這不是一個好的選擇。相反，最好的希望可能寄託在美國宇航局計劃在韋伯之後建造的下一個太空天文臺上，這是一種被稱為WFIRST的超強哈勃太空望遠鏡。
也就是說，如果它真的發射的話——白宮曾試圖在最近的預算中取消該專案。目前的計劃要求WFIRST包括一個日冕儀，一種阻擋星光的儀器，以便可以看到少數幾個系外行星的光——所有這些都是相對普通的巨型世界，因為在附近的恆星周圍缺乏任何合適的小型候選者。但是，如果巴納德b星是真實的，那麼用WFIRST對其成像“可能只是可行的，”領導WFIRST日冕儀開發的普林斯頓大學天體物理學家傑里米·卡斯丁說。“一切都必須恰到好處……但在最好的情況下，這將是具有挑戰性但有可能的。”