你不會聽到他們說出口，但世界上一些最受讚譽的天文學家在近二十年的時間裡一直感到沮喪。在那段時間裡，他們和他們的同事發現了數千顆系外行星——環繞太陽以外恆星執行的行星——並且在統計學上推斷，僅在我們銀河系中就有數千億顆行星等待被發現。似乎只要用最先進的儀器足夠用力地敲擊任何一顆恆星，它最終就會像糖果從破裂的皮納塔中傾瀉而出一樣，吐出新的世界。行星獵手們已經打開了他們的一些收穫，使用望遠鏡仔細研究，甚至為少數令人倒胃口、不適宜居住的氣態巨行星成像。然而到目前為止，他們尚未品嚐到落入他們懷中最甜美、最誘人的碎片——少數可能類地、可能孕育生命的行星。
並非他們沒有嘗試過。即使只由一個嘈雜的畫素組成，一張圍繞另一顆恆星的有希望的行星的照片，也將大大有助於判斷那個世界是否真的適宜居住，甚至可能有人居住。這可能是人類歷史上最偉大發現的最初曙光——證明我們在宇宙中並不孤單。唉，今天最好的望遠鏡仍然不足。它們龐大而精密的 оптические 系統仍然太小且過於簡單，無法區分在恆星耀眼光芒中旋轉的岩石世界的微弱身影。似乎需要更大膽、更宏偉的東西。人們認為，要找到另一顆地球，首先必須建造一臺規模、精密程度和成本都如此之高的行星成像望遠鏡，以至於它變得大到不能倒。然而，要建造這樣一臺望遠鏡，首先必須找到另一顆地球，讓它可以合理地研究。如果行星獵手們的懇求是“給我們錢”，那麼政策制定者們的回應肯定是“給我們行星”。這種第22條軍規式的困境使得天文學家們只能計劃如何在似乎註定永遠不會到來的未來為類地行星成像並進行研究。
情況不再如此。由於上個月宣佈的一項單一發現，這個未來可能會在未來幾年內實現，天文學家將使用地面和太空現有的和正在建造的望遠鏡，而不是在異想天開的遙遠未來的天文臺中。這種劃時代轉變的催化劑是比鄰星b行星，一顆新發現的小行星，圍繞比鄰星執行，比鄰星距離我們太陽系僅四光年多一點，是離我們太陽系最近的恆星。“比鄰星b行星在牆上劃出了一條高高的粉筆線，我們現在都在跳起來夠它，”在荷蘭萊頓天文臺研究新型行星成像技術的天文學家馬修·肯沃西說。“電子郵件來回飛，人們正在撣去他們多年前提出的觀測岩石行星的方法上的灰塵，這些方法由於找不到任何附近的行星而被擱置了。你幾乎可以聽到狂熱的腦電波在空氣中傳遞。每個人都知道隔壁有一個如此美麗、如此令人興奮的目標，這真是令人振奮。”
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目前，天文學家尚未真正看到這顆新行星——相反，他們只是測量了它的軌道牽引力如何導致比鄰星在天空中來回擺動。這種擺動是一種低語，卻蘊含著豐富的資訊，揭示了這個世界只比地球重三分之一，並且以11天的軌道週期，在其恆星約七百萬公里的軌道上執行。如果地球如此靠近太陽，將會被烤焦，但比鄰星是一顆小得多、暗淡得多的恆星——一顆紅矮星，是銀河系中最豐富的恆星型別。因此，比鄰星b行星的11天一年使其暴露在地球三分之二的星光下——足以將這顆行星置於其恆星的“宜居帶”的中間，這是一個溫度適宜的恆星周圍區域，液態水和生命可能存在於岩石世界的表面。
所有這一切都意味著比鄰星b行星不僅僅是離我們太陽系最近的鄰近行星。它也是宇宙中最常見的生命棲息地，以及我們可以看到的最接近的可能類地世界的首要範例。目前研究它的熱潮是未來事態的預兆，預示著2020年代和2030年代，天文學家將努力為附近恆星周圍數十顆甚至數百顆其他有希望的世界成像。“這只是一顆行星，我們尚不知道它是否真的適宜居住，但這仍然是一件非常重要的事情，因為它將迅速推動該領域進入新的前沿，”亞利桑那大學的行星獵手天文學家奧利維爾·蓋翁說。“我們可能會發現其他候選者，甚至比這顆更好，但就目前而言，比鄰星b行星為在未來十年內成像和研究一顆潛在的類地行星提供了最佳方案。”
天眼
最佳方案是比鄰星b行星發生“凌星”，週期性地掠過其恆星表面，向我們投下跨越數光年的陰影。利用那顆行星的輪廓，天文學家可以精確地確定比鄰星b行星的精確大小和質量，從而確定其密度——並由此瞭解它是一個岩石球、一個被氣體籠罩的球體，還是介於兩者之間的某種東西。他們甚至可以確定比鄰星b行星上層大氣的大致化學成分。
要瞥見凌星的比鄰星b行星周圍稀薄的環狀物，需要天文學家有時稱之為“大玻璃”的集光能力——一個巨大的反射鏡，例如美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的6.5米孔徑，計劃於2018年發射。但是天文學家看不到不存在的東西，而且這顆行星遠非保證擁有大氣層。比鄰星b行星的近星軌道可能使其表面溫度適宜液態水的存在，但也使其受到侵蝕大氣層的恆星耀斑和潮汐力的影響，潮汐力將行星的自轉鎖定，使得始終面向恆星的一側沒有空氣，永遠沐浴在星光下，而大氣層則在行星寒冷、永久黑暗的一側凍結。此外，比鄰星b行星發生凌星的可能性很小——要看到這顆行星的陰影，我們必須基本上以側視角度觀察其軌道，就像觀看遠處唱機上的旋轉唱片的邊緣一樣。
不幸的是，哥倫比亞大學天文學家大衛·基平領導的一項新研究於今日釋出，幾乎排除了比鄰星b行星發生凌星的可能性。基平和他的同事們在加拿大MOST太空望遠鏡收集的資料中搜索了它的凌星現象，甚至發現了一個看似令人信服的訊號——但來自地面HATSouth望遠鏡陣列的額外資料表明，該訊號是由於比鄰星的耀斑而不是任何凌星世界造成的。“雖然我們在MOST資料中發現了一個候選凌星事件，但HATSouth資料以70%到90%的置信水平排除了它，”基平說。“我現在認為它成為凌星行星的可能性不到1%。這聽起來非常小，但當談到排除事物時，科學家更喜歡處理像0.0001%這樣的數字，因此更確鑿的答案可能需要更多資料。” 如果天文學家使用美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡來<0xC2><0xA0>一勞永逸地瞭解比鄰星b行星是否凌星，那麼更多的答案可能很快就會到來。
與此同時，哈佛-史密森天體物理學中心的兩位天體物理學家 Avi Loeb 和 Laura Kreidberg 已經詳細制定了一項近期計劃，用於在沒有凌星的情況下研究比鄰星b行星。在一篇新論文中，他們描述了美國宇航局的紅外韋伯望遠鏡如何很快就能確定比鄰星b行星是否擁有大氣層——比鄰星b行星的發現者和合作者也在一篇較早的論文中提出了這一觀測建議。望遠鏡無法直接看到這顆行星，而是可以窺探到它的一些紅外光，這些紅外光穿透了附近恆星的眩光。假設比鄰星b行星被潮汐鎖定，韋伯望遠鏡就可以探測到行星熱輻射的變化，當行星寒冷的夜晚側和溫暖的白天側在一個完整的軌道週期中進出視野時，就像觀察月球繞地球執行時月相的變化一樣。比鄰星b行星兩側之間較小的溫差將表明存在大氣層或海洋來重新分配熱量，而較大的溫差則表明這顆行星是一顆乾燥、沒有空氣的岩石。“你有可能在僅觀測11天后就看到這一點，”克雷德伯格說。“這是一項簡短而甜蜜的觀測。”
如果比鄰星b行星被證明擁有大氣層，Loeb 和 Kreidberg 還提議使用韋伯望遠鏡探測比鄰星眩光中臭氧的紅外特徵，作為行星空氣中可能充滿氧氣的跡象——在地球上，氧氣主要由生命產生。但是，韋伯望遠鏡搜尋臭氧將需要估計 60 天的觀測時間，而不是 11 天，這是一項巨大且有風險的觀測時間投資。“我們必須使用韋伯望遠鏡的所有能力才能進行這樣的測量——一切都必須恰到好處，”克雷德伯格說。“對於任何其他恆星來說，這都是一個瘋狂的想法，但由於比鄰星是我們最近的鄰居，我們有機會。從大局來看，如果我們最好的太空望遠鏡的兩個月觀測時間能夠揭示與生命相關的某些東西，那麼這可能是值得的。”
Loeb 對比鄰星b行星還有更具遠見（和更長遠）的計劃：傳送探測器。這顆行星是突破攝星計劃的“顯而易見的目標”，這是一項由億萬富翁尤里·米爾納資助的私人風險投資，旨在發射微型星際飛船艦隊。Loeb 擔任攝星計劃顧問委員會主席。“你可能會認為，在地球上建造一臺大型望遠鏡可以替代向行星傳送相機，”Loeb 說。“但是美國宇航局行星任務的過往經驗告訴我們，事實並非如此——我們總是能從直接訪問一個地方學到新的東西。而攝星計劃的目標就是做到這一點。”
韋伯專案科學家、美國宇航局戈達德太空飛行中心天體物理學主任馬克·克蘭平認為，突破攝星計劃可能比韋伯望遠鏡在比鄰星b行星上尋找臭氧更有勝算。“對研究離我們最近的恆星宜居帶中的行星的興奮感讓人們興奮起來，”他說。“但是韋伯望遠鏡有很多相互競爭的科學優先事項，同行評審員會問，比鄰星b行星是否真的是使用如此多時間進行此類研究的最佳物件。”克蘭平說，到韋伯望遠鏡投入使用時，美國宇航局的另一項任務——凌星系外行星巡天衛星 (TESS)，計劃於 2017 年發射——將已經生成一份附近小恆星周圍其他潛在宜居岩石行星的簡短列表。TESS 主要搜尋天空中遠離比鄰星的其他行星，靠近黃道極，即我們太陽系正上方和正下方的區域，這些區域很容易用大多數太空望遠鏡持續監測。一顆凌星附近恆星的岩石行星可能更容易研究，從而將比鄰星b行星在韋伯望遠鏡任務規劃者的優先列表中排得更低。
地面巨擘
儘管韋伯望遠鏡可能對研究比鄰星b行星很有用，但大多數天文學家對使用即將到來的下一代地面極大望遠鏡 (ELT) 更為樂觀，這些龐然大物擁有寬達 40 米的反射鏡，計劃於 2020 年代中期首次亮相。三臺 ELT正在建造中，但只有兩臺位於南半球，那裡可以看到比鄰星，具體來說是在智利。其中一臺是巨型麥哲倫望遠鏡 (GMT)，由美國、亞洲和南美洲機構組成的聯盟建造，將使用七個 8.4 米碗形反射鏡，形成一個 24.5 米寬的集光面。另一臺是歐洲極大望遠鏡 (E-ELT)，由歐洲南方天文臺建造，將連線近 800 個六邊形 1.4 米的鏡片，形成一個 39 米的反射鏡——世界上最大的反射鏡。“我們採取不同的技術方法是一件好事，”卡內基天文臺天文學家、巨型麥哲倫望遠鏡組織臨時主席帕特里克·麥卡錫說。“如果你只用其中一臺望遠鏡看到這顆行星，你就會撓頭想知道它是否是[儀器誤差的]偽影；如果你在兩臺望遠鏡中都看到它，你就會知道它是真實的。”
受地球星光模糊大氣層的限制，任何一臺 ELT 都無法自然地獲得直接瞥見比鄰星b行星所需的清晰、穩定的影像——比鄰星b行星看起來距離其恆星僅 38 千分之一角秒（一角秒是 1 度的 3600 分之一）。這兩臺望遠鏡都有可能瞥見比鄰星b行星，這歸功於這顆行星的近距離以及自適應光學——計算機控制的可變形反射鏡，每秒改變形狀 1,000 或 2,000 次，以即時校正湍流空氣。然而，這顆行星仍然比其附近的恆星暗淡 1000 多萬倍。配備了日冕儀——一種阻擋星光的裝置，類似於拇指放在眼前可以遮擋太陽的方式——GMT 或 E-ELT 可以去除比鄰星的眩光，以收集來自比鄰星b行星的微弱光子，形成一個供所有人觀看的行星點狀影像。這個點的顏色可以粗略地進行診斷，一種色調可能暗示著全球海洋，而另一種色調可能預示著植被覆蓋的大陸或乾旱的烤焦岩石平原。隨著時間的推移，他們可以從該點收集足夠多的不同顏色的光子來構建光譜，在其變化的光譜中尋找水蒸氣、二氧化碳、氧氣和其他重要氣體的跡象——也就是說，尋找該世界是否能夠孕育我們所知的生命的跡象。
不幸的是，所有日冕儀仍然會洩漏一些星光，將不需要的光子傳送到反射鏡上，堆積在邊緣和缺陷周圍——並形成衍射斑點，這些斑點可能會掩蓋或模模擬實的行星。天文學家在多大程度上能夠區分和研究比鄰星b行星的行星點與由此產生的幻影群，將在很大程度上取決於每臺望遠鏡的反射鏡、日冕儀和儀器的精細設計細節。
這些細節中的許多細節仍然在變化中，部分原因是由於發現了比鄰星b行星以及紅矮星周圍其他不太轟動的世界。迄今為止，大多數日冕儀的開發都集中在為明亮的類太陽恆星周圍的世界成像，在這些恆星周圍，恆星-行星對比度要高得多，但被更寬的恆星-行星距離所抵消。為像比鄰星b行星這樣的紅矮星世界成像需要不同的日冕儀設計，這些設計幾乎剛剛從實驗室的搖籃中誕生，對比度水平要求較低，但具有更極端的敏銳度，以捕捉幾乎與它們昏暗、寒冷的恆星面頰貼面執行的行星。這部分解釋了為什麼 GMT 尚未確定行星成像相機的設計，而 E-ELT 的首個產品 EPICS（系外行星成像相機和光譜儀）在技術上仍然只是歐洲南方天文臺 (ESO) 等待正式批准的候選儀器。
根據 EPICS 團隊負責人和 ESO 天文學家 Markus Kasper 的說法，該儀器的 8 到 10 年的建造週期計劃於 2019 年開始，這意味著其對比鄰星b行星的觀測最早也要到 2020 年代後期才能開始。即使該儀器準備就緒，其望遠鏡也可能尚未準備就緒：E-ELT 計劃不早於 2025 年開始執行，這使得比鄰星b行星的影像至少要等到未來十年甚至 20 年。
對小型望遠鏡的巨大希望
對於一些人來說，等待時間太長了。日內瓦大學的天文學家克里斯托夫·洛維斯認為，有一種方法可以使用比計劃中的 ELT 小得多的現有望遠鏡，在地面上更早地觀測比鄰星b行星——大約在韋伯望遠鏡可以從太空研究它的時候。
使用比 ELT 小几倍的地面望遠鏡為比鄰星b行星成像之所以是可行的，僅僅是因為光學物理學的一個基本怪癖：要產生任何給定解析度的影像，較短的光波長（例如我們眼睛可見的光波長）比較長的波長需要更小的反射鏡和其他光學元件。這意味著在可見光下工作的現代八米望遠鏡理論上可以看得足夠靠近比鄰星，從而將其行星從恆星眩光中摘取出來。不幸的是，在可見光而不是更長的波長下觀測系外行星也需要更好的日冕儀以及更快、更精確的自適應光學系統。可見光對自適應光學的極端要求是 ELT 最初將在近紅外光下觀測大多數系外行星的原因——用於其巨型反射鏡的可見光自適應光學系統仍需數十年才能實現。
地球上最好的行星成像專案現在位於智利北部高沙漠的 ESO 甚大望遠鏡 (VLT)，在那裡，一種名為 SPHERE 的儀器使用自適應光學和日冕儀來拍攝明亮、年輕、巨大的系外行星的近紅外光和可見光照片，這些行星因其最近的形成而發出紅熱的光芒。SPHERE 目前在恆星-行星對比度方面比觀測比鄰星b行星差大約 10 倍，在恆星-行星距離方面差 6 倍，但洛維斯有一個令人歎為觀止的合理計劃，可以將該儀器提升到足夠好的水平。其關鍵在於：將 SPHERE 與另一件計劃於明年在 VLT 上首次亮相的物品配對——一種名為 ESPRESSO 的高解析度光譜儀，洛維斯是該儀器的科學家。“我們不必等待 10 年或 15 年才能等到 ELT。我們可以對 VLT 上的 SPHERE 和 ESPRESSO 進行可行、實際的升級，並可能在幾年內開始研究比鄰星b行星，”洛維斯說。“不利用這些現有儀器將是愚蠢的，因為它們加起來可能提供了獲得這顆行星影像的最快、最具成本效益的方式。”
與 SPHERE 不同，ESPRESSO 不拍攝照片。相反，它透過擺動的恆星尋找行星——與最初探測比鄰星b行星時使用的技術相同。此類儀器實際上並沒有觀察恆星在天空中抖動；相反，它們精確地測量恆星光的顏色，當行星拉動恆星靠近或遠離地球時，恆星光的顏色會變得更藍或更紅，類似於救護車接近和快速駛過時多普勒頻移改變了救護車警報器的音調。ESPRESSO 接收到 SPHERE 對比鄰星的觀測結果後，可以搜尋來自比鄰星b行星的反射可見光，由於該行星的軌道運動，反射可見光將顯示出大約 50 公里/秒的多普勒頻移，與剩餘的星光不同。找到並隔離該訊號將引導天文學家消除剩餘的殘留星光和地球大氣層的汙染影響。最終結果將是 SPHERE 單獨永遠無法產生的行星的乾淨、清晰的影像。
洛維斯與包括萊頓大學天文學家伊格納斯·斯內倫在內的合著者合作，斯內倫在 2014 年首次在巨行星上演示了該技術，洛維斯在他的一篇新論文中詳細介紹了他的計劃，呼籲升級 SPHERE 的自適應光學系統以及兩個儀器之間的多個光纖連線。洛維斯和斯內倫表示，如果總共給予幾個月的望遠鏡時間，分散在可能三年的時間裡，他們就可以為比鄰星b行星成像，並探測該行星的大氣層，尋找氧氣、水蒸氣和甲烷的跡象——所有這些都是確定那個遙遠的世界是否真的非常像地球的關鍵測量值。洛維斯和斯內倫表示，即使他們的提案未能為比鄰星b行星成像，它仍然有利於規劃 E-ELT 未來的執行。其他歐洲天文學家正在追求他們自己的計劃，研究計劃對不同的 VLT 儀器 CRIRES 的升級，甚至是一個小型比鄰星專用天文臺是否可以提供另一條獲得行星影像的途徑。
一些與 GMT 幕後機構相同的機構，即美國主導的 ESO E-ELT 競爭對手，也在考慮推動使用比 VLT 更小的地面望遠鏡為比鄰星b行星成像。亞利桑那大學的天文學家賈裡德·梅爾斯計劃使用智利的雙子 6.5 米麥哲倫望遠鏡之一在可見光下尋找這顆行星。在對抗空氣模糊的星光方面，他選擇的武器將是一個普通的自適應光學系統，並輔以另一個更“極端”的版本，該版本使用 2,000 個計算機控制的致動器，透過每秒彎曲可變形反射鏡 3,600 多次來校正大氣畸變。沒有其他自適應光學系統速度更快，但即使這樣也可能不夠快，無法深入到可見光譜中，讓麥哲倫相對微薄的反射鏡收集比鄰星b行星的光線。
“我從未真正想過我們可以在比鄰星周圍為一顆地球大小的行星成像，但話又說回來，直到最近我才知道那裡有一顆地球大小的行星，”梅爾斯說。“現在我只是認為這將非常非常困難——幾乎達到了理論上的極限，如果一切都完美進行的話。沒有人說這是一個板上釘釘的案例。但是，描述我們太陽最近的鄰居恆星的宜居帶中的一顆類地行星將是科學史上最重要的進展之一。這就是我們為做好準備的方式。”