在智利中部安第斯山脈的偏遠高處，夜空漆黑，以至於星座都難以辨認，淹沒在成群更微弱的星星之中。這熟悉又陌生的景象可能會讓人感到不安，但當布魯斯·麥金託什在 2014 年 5 月的一個深夜抬頭仰望時，還有其他事情困擾著他。即使在這裡，在海拔 2700 米的地方，他仍然在穿透一片空氣海洋，而且風勢正在增強。頭頂的星星閃爍得有些過分，不適合他的目的。
麥金託什來這裡是為了尋找其他地球——或者更準確地說，是為了尋找其他木星，一些科學家認為木星是岩石、適宜居住的類地行星存在所必需的。他不像大多數天文學家那樣對尋找行星感興趣，而是觀察數月甚至數年，觀察恆星運動或亮度的細微變化，逐漸揭示一個看不見的世界的存在。他追求的是即時滿足：他打算拍攝遙遠行星的實際照片，將它們視為圍繞遙遠恆星旋轉的光點，跨越光年的鴻溝凝視它們氣體漩渦的面孔。斯坦福大學的天文學家麥金託什稱之為“直接成像”。
除了風之外，麥金託什感到不安還有另一個原因：在北部 600 公里處，在另一座乾旱的智利山峰上，天文學家讓-呂克·伯齊特正試圖做完全相同的事情。伯齊特是法國格勒諾布林行星學和天體物理研究所的天文學家，是麥金託什的朋友——也是他的競爭對手。命運和資金將這兩個人同時帶到山區，搜尋天空中的行星，以瞭解我們自己的行星是像泥土一樣常見，還是宇宙中罕見之物。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。
麥金託什在這場天文競賽中選擇的工具是一臺價值數百萬美元、汽車大小的複雜光學和感測器組合，名為雙子座行星成像儀 (GPI)。它安裝在雙子座南方望遠鏡巨大的八米鏡面上，這是一塊鍍銀玻璃的拋光圓盤，佔正規籃球場八分之一的面積。麥金託什和其他天文學家將該儀器的首字母縮寫詞發音為“gee pie”，就像他們在驚呼糕點一樣。伯齊特對 GPI 的回應是一個更大、小型貨車大小的小工具集合，名為 SPHERE，即光譜偏振高對比度系外行星研究儀器的縮寫。SPHERE 安裝在另一臺八米望遠鏡上，位於歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡陣列。這兩個專案都已開發了十多年，但在幾個月內相繼亮相。他們從偏遠的山頂棲息地出發，主要勘測相同的恆星，力求成為第一個獲得外星木星突破性快照的人。
在過去二十年中發現的 5,000 多個環繞其他恆星執行的世界中，幾乎沒有一個被實際直接成像。拍照很難，因為即使是最大、最不適宜居住的行星，從遠處看，仍然非常暗淡，並且顯得非常靠近它們更明亮的太陽。拍攝一張行星的照片——即使它只是畫素中的一個小汙點——你也可以瞭解很多關於這個世界的組成、氣候和生命的可能性。GPI 和 SPHERE 對類木行星的探索是目前的最新技術；人類尚未建造出足夠大、足夠精密的望遠鏡，能夠從相鄰恆星的強烈眩光中提取出外星地球的微弱光線。但是，如果他們這樣做，這些設施幾乎肯定會使用從這兩個專案中開發的儀器。
在天文學中，就像在日常生活中一樣，眼見為實。雖然直接成像可能非常困難，但它也可能比當今主要的行星探測技術快得多，有可能透過花費數小時或數天獲得的圖片來交付發現，而不是透過數月或數年對神秘恆星資料集的費力分析。這就是為什麼，在這場拍攝外星木星首張照片的競賽中，說每一分鐘都很重要並不為過。
龜兔賽跑
2014 年 5 月的那個深夜，麥金託什在雙子座南方控制室工作時，時間在他身上顯得格外沉重。他有一張孩子氣的臉龐，棕色的頭髮呈新月形，一雙活潑的眼睛從厚厚的眼鏡後面窺視著。他靠健怡可樂和腎上腺素支撐著，仍然因從加利福尼亞到智利的多次轉機而感到時差反應。他的一隻鞋帶鬆開了，空氣中飄來一股淡淡的煙味，來自一份被遺忘的冷凍披薩晚餐，現在在附近的烤麵包機裡變成了焦炭。當他凝視著一排監控 GPI 生命體徵的電腦螢幕時，似乎只有他的身體在房間裡——他的思緒飄到了隔壁圓頂內的八米望遠鏡中，追蹤著光束在儀器內部的反射。
在 GPI 開始尋找新行星之前，它必須首先經歷“除錯”，這是一系列漫長的測試和校準，於 2013 年底開始，到 2014 年 5 月的這個時候，正處於最後階段。這項工作枯燥乏味，而且毫無魅力——沒有人因為確保儀器正常執行而獲得過任何獎項。在以分鐘為單位衡量的競賽中，GPI 比 SPHERE 領先四分之一百萬分鐘，而到同一時間，SPHERE 才剛剛開始除錯過程。然而，這對麥金託什來說只是小小的安慰，因為 SPHERE 擁有更強大的儀器套件和比 GPI 更多的有保證的望遠鏡時間，這應該使 SPHERE 能夠在更大的視場、更高的光譜解析度和更寬的波長範圍內觀察更多的恆星。換句話說，即使 GPI 處於領先地位，就像伊索寓言中跑得快的兔子一樣，SPHERE 仍然可以像烏龜一樣從後面趕上來，並首先找到夢寐以求的行星。
星星的閃爍來自大氣中的湍流，這使得 GPI 團隊落後於計劃。在等待風停的時候，麥金託什告訴我多年前的故事，當時他、伯齊特以及 GPI 和 SPHERE 團隊的其他高階成員會在世界各地的天文學會議上狂歡，他們未來的衝突還遠未浮現在腦海。那些時光早已成為過去。“我們會聚在一起，豪飲，交流故事，”麥金託什說。“即使現在，他們也不是真正的敵人——雲層才是敵人。還有風。”
半小時後，風勢減弱。“好吧，讓我們看看 HD 95086，”麥金託什說著，轉動椅子對著房間裡十幾名團隊成員說。他們立即行動起來，在控制隔壁圓頂內望遠鏡的計算機上鍵入命令。片刻之間，望遠鏡已轉向目標，一顆距離地球 300 光年的藍色矮星，位於船底座星座。從天文意義上講，HD 95086 是一顆年輕的恆星——只有大約 1700 萬年曆史——並且擁有一顆質量是木星五倍的巨行星，其軌道大約是冥王星的兩倍遠。早期，能力較弱的直接成像專案已經見過這顆行星——該團隊將透過將 GPI 的新影像與早期結果進行比較來校準 GPI。
就像 GPI 尋找的所有世界一樣，這顆特殊的行星自形成以來幾乎沒有冷卻過。它在紅外光中發出明亮的光芒。就亮度而言，大多數行星比它們的恆星暗數百萬或數十億倍，就像熱核火球尖端的塵埃顆粒。年輕的木星則不同。它們更像是遠離篝火冷卻的熾熱餘燼，這正是 GPI 或 SPHERE 有任何希望看到它們並瞭解它們究竟是如何形成和演化的原因。
木星的秘密起源
在專家中，沒有人真正知道環繞太陽執行的最大天體是如何形成的，這是一個令人尷尬的公開秘密。但專家們迫切希望找出答案，因為木星和其他巨行星是行星系統的架構師，塑造著周圍的一切。
大多數已知的環繞其他恆星執行的巨行星與木星完全不同。許多存在於酷熱的半周軌道中，這與我們太陽系中的任何事物都格格不入。普遍的理論是，這些地獄般的世界誕生於更遠的地方，只是由於與其他行星或氣體流的引力相互作用而螺旋下降並緊貼它們的太陽。這種遷移對宜居性不利——在此過程中，螺旋式內旋巨行星的引力場很可能會將任何小的、岩石行星拋入星際黑暗或拋入其恆星的火焰中。這些巨行星離它們的恆星太近，以至於今天的技術無法直接成像。
像其更熱的系外行星表親一樣，木星在其早期也可能發生過遷移，但由於原因尚不清楚，其遷移只是暫時的，並沒有將這顆巨行星帶到離太陽很近的地方。相反，它可能冒險進入到與今天的火星相當的距離，然後退回到外太陽系，並一直停留在那裡。儘管巨行星的運動會破壞行星系統的宜居性，但在木星的情況下，它們似乎使我們的太陽系成為更適宜居住的地方。至少，人們認為木星的遊蕩將富含水的彗星和小行星拋向我們已經形成的地球，帶來了賦予生命的海洋。最多，木星衝入內太陽系甚至可能清除了其他先前存在的行星，從而使地球得以首先形成。即便如此，木星給予的東西，它也可能奪走。數百萬年後，木星可能會再次用更多巨大的小行星或彗星撞擊我們的星球，產生災難性的撞擊，這將煮沸我們的海洋並蒸熟我們的生物圈。
所有這些細節，在某種程度上，都可以追溯到木星神秘形成的性質和時間。這一點是肯定的：就在 45 億多年前，一片寒冷的 газовое 和塵埃雲坍縮形成了我們的太陽。雲層中沒有落入我們新生恆星的殘餘物旋轉成一個圓盤，行星就是從這種物質中形成的。岩石世界相對較小，很容易透過一種稱為核吸積的自下而上的過程組裝起來，在這種過程中，碰撞的岩石逐漸聚集在一起，歷時多達 1 億年。大多數研究人員懷疑木星也是以同樣的方式形成的。但要做到這一點，它必須形成得更快，在大約 1000 萬年的時間內建立起地球大小的核心，有足夠的時間在氣體原料被年輕恆星的強烈光線吹走之前掃走巨大的大氣層。
還存在另一種可能性。巨行星也可能像恆星一樣，透過一種稱為圓盤不穩定性的自上而下的過程形成。在這種情況下，像木星這樣的天體將透過星周盤外部區域寒冷、過密的氣體和塵埃團的直接、快速坍縮來實現行星狀態。今天幾乎不可能區分木星的這兩種情景，因為基本上所有證據都字面上埋藏在這顆巨行星稠密、厚厚的大氣層之下。
幸運的是，還有另一種方法可以測試巨行星是從自下而上還是自上而下形成的：你可以測量它們的溫度。直接從坍縮的氣體團自上而下形成的行星會發生得非常快，以至於大量的熱量會被困在行星內部。而自下而上形成的行星雖然最初仍然是熾熱的，但會相對較冷。“隨著越來越多的氣體落到岩石核心上，它會受到其下方氣體的阻礙，受到圍繞核心形成的大氣的阻礙，”GPI 的合作者馬克·馬利說，我後來與他交談過，他是美國宇航局艾姆斯研究中心的行星形成理論家，他幫助模擬了這個過程。“當氣體減速時，會產生衝擊波，大部分入射氣體的能量會輻射出去，從而快速冷卻正在形成的行星。因此，當您停止向行星傾倒氣體時，行星會比直接坍縮時冷卻得多。”
因此，巨行星的溫度實際上是其誕生的記憶。行星越老，冷卻得越多，其記憶就越模糊。木星大約 45 億歲，很久以前就忘記了它是如何形成的。但是，年齡小於幾億年的巨行星——GPI 和 SPHERE 正試圖在紅外線下成像的行星——應該仍然保留著它們的熱記憶。透過調查數百顆明亮、年輕的附近恆星，這兩個專案可能會探測數十顆巨行星的溫度和歷史，解開它們形成的秘密，並揭示像我們自己的宜居系統是如何形成的。
對外星木星進行成像
當 GPI 團隊準備觀測 HD 95086 時，一個單色的圓圈出現在麥金託什的一個螢幕上。它似乎包含一種高度畫素化的流體，就像一條奔騰的河流或一臺充滿靜電的未調諧電視機的數字化特寫鏡頭。
“你看到的是風，”麥金託什說。“那是星光穿過大氣湍流並落在驅動我們自適應光學系統的探測器上。”自適應光學是計算機控制的可變形反射鏡，它們每秒改變形狀數百甚至數千次，以對抗大氣扭曲，使天文學家能夠捕獲與太空望遠鏡提供的影像相媲美的天體影像。通過幾次擊鍵和口頭命令給他的團隊，麥金託什啟動了 GPI 的自適應光學系統。GPI 的兩個可變形反射鏡——安裝在八米望遠鏡下方，一個是現成的玻璃“低音揚聲器”，另一個是定製的、裝有 4,000 多個執行器的較小的“高音揚聲器”——現在正在同步地起伏和捲曲，將每一個瞬時光線塗抹的口袋和上覆空氣的流動與它們表面上相應的凹陷或尖峰相匹配，將星光射線雕刻回接近完美的程度。結果似乎很神奇：麥金託什螢幕上湍流的圓圈變得平滑而平靜，就好像頭頂的大氣突然消失了一樣。HD 95086 現在是螢幕上耀眼的光芒。沒有行星的跡象。
為了揭示這顆恆星已知的行星，麥金託什啟動了另一個裝置，一個日冕儀，它剝離了大部分星光：光線遇到一系列掩模，過濾掉 99% 的光子。穿過掩模的光子被聚焦並瞄準一箇中心孔被拋光到原子尺度光滑度的反射鏡。“恆星的光線落入孔中，”麥金託什解釋說，而行星的光線則會從反射鏡上反射出去，更深入到儀器中，到達一個超冷的攝譜儀，該攝譜儀將光線分成其組成波長（或顏色）。
螢幕上的圖片現在是一個白光的塊狀光環，環繞著 HD 95086 應該在的深邃的中心陰影。這些塊狀物——稱為斑點——是由洩漏透過日冕儀的不需要的星光形成的。斑點會遮蔽 GPI 影像中的行星，甚至偽裝成行星。為了區分斑點和行星，該團隊在各種紅外波長下拍攝了一系列曝光。“恆星和斑點之間的距離與影像中光的波長成正比，”GPI 專案科學家詹姆斯·格雷厄姆說，他是加州大學伯克利分校的教授，當我們盯著螢幕時，他這樣說道。在較短、較藍的波長下，斑點會顯得更靠近恆星；格雷厄姆解釋說，在較長、較紅的波長下，同一個斑點會顯得更遠。“因此，當您看到整個 [波長] 序列時，斑點會移動。行星不會。”
麥金託什像電影中的幀一樣來回滾動堆疊的曝光，光環似乎在呼吸，當所有塊狀物一致移動時，光環會膨脹和收縮。所有塊狀物，也就是說，除了一個：一顆從恆星斑點海洋中捕撈出來的孤立的、固定的行星光點。在不到半小時的時間裡，我們從只看到風變成了凝視著另一顆恆星周圍的遙遠世界。對來自 GPI 資料的行星光譜的進一步分析暗示，這顆行星非常紅，這可能是其高層大氣中散射光線的塵埃過多的結果。這是一個關於 300 光年外世界的微小但令人興奮的細節。
並非所有目標都如此難以看到；更近、更亮的恆星可以更容易地洩露它們的一些秘密。早些時候，GPI 團隊僅需 60 秒的單次曝光即可捕獲到繪架座β星 b 的影像，這是一顆年輕、炙熱的巨行星，距離地球 63 光年，其軌道幾乎是木星-太陽距離的兩倍。看到這顆行星的容易程度表明，直接成像最終正變得司空見慣：雙子座南方望遠鏡上稍舊的直接成像儀先前拍攝過類似的繪架座β星 b 影像，儘管它需要超過一個小時的觀測和大量的後期處理。新的影像使 GPI 團隊能夠比以往任何時候都更精確地估計繪架座β星 b 的軌道，揭示出它可能在 2017 年從地球上看到的角度凌日其恆星表面——這種罕見的排列對於尋求更多瞭解這顆遙遠巨星的科學家來說將是一個福音。
在日出前的剩餘時間裡，GPI 團隊對雙星、微弱的碎片盤，甚至土星的衛星泰坦進行了成像，向下窺視其濃密、朦朧、富含碳氫化合物的大氣層，觀察其斑駁的表面。黎明時分，當即將到來的太陽的光芒開始從地平線升起時，麥金託什深深地靠在椅背上嘆了口氣，疲憊但很滿意。
在為期六天的執行的最後一晚，GPI 團隊發現了它的第一顆行星，圍繞著一顆 2000 萬年前的恆星執行，距離是木星-太陽距離的兩倍。麥金託什不是第一個注意到它的人——加州大學伯克利分校的博士後學生羅伯特·德羅薩在檢視另一位隊友肩膀上的一些平淡無奇的 GPI 影像時，發現了這個閃爍的光點。隨後的觀測表明，它的質量是木星的兩到三倍，大氣層中充滿了甲烷，熱到足以熔化鉛。這顆行星距離地球 100 光年，但它是天文學家見過的最接近木星的天體。
“這是任何人有史以來發現的第一顆看起來像溫暖版木星而不是非常冷的恆星的行星，”麥金託什說。“這顆行星可能還足夠年輕，可以‘記住’它的形成過程。透過足夠的觀測，我們可以確定它的質量和年齡，並弄清楚它是像我們認為木星那樣自下而上形成的，還是像恆星那樣自上而下形成的。”
當麥金託什告訴我時，他還發誓要我保密，直到 GPI 團隊能夠撰寫並提交論文。“SPHERE 也很容易看到這一點，”他說。“我們不知道他們是否已經看過同一顆恆星。我們都很緊張，我們會被人搶先。”
未來的第一道曙光
黎明後不久，我離開雙子座南方望遠鏡，乘飛機向北飛去，租了一輛車，在智利高海拔、乾燥的阿塔卡瑪沙漠中孤獨的高速公路上疾馳，行程 600 多公里，在夜幕降臨前到達 SPHERE。日落後不久，我到達了 SPHERE 的天文臺——甚大望遠鏡。在一個狹小的控制室裡，專案負責人伯齊特正在指揮他的部隊，除錯工作開始了。天文學家們俯身在電腦螢幕上，用法語、德語和英語 тихо 交流著，試圖忽略來訪的紀錄片攝製組的攝像機和動臂麥克風。伯齊特頭髮和鬍鬚蓬亂，看起來有點像已故的電影導演斯坦利·庫布里克。他從一個工作站遊蕩到另一個工作站，啜飲著濃縮咖啡，不時停下來傾聽和建議。附近書架上放著一瓶最近被清空的羅蘭百悅香檳，“SPHERE 第一道曙光”用黑色記號筆潦草地寫在標籤上。
SPHERE 在除錯期間表現出色，拍攝了各種天體的精美照片，包括 HR 4796A 周圍的微弱塵埃環，這是一顆位於半人馬座星座中，距離地球 237 光年的 800 萬年曆史的恆星[參見對頁插圖]。後來，當我凝視著環繞被遮蔽的恆星中心的環時，我感覺自己正在被注視著——它看起來像一隻巨大的眼睛，跨越星際鴻溝凝視著。但是，儘管有這些漂亮的圖片，但在我訪問的當晚，伯齊特告訴我，SPHERE 還沒有完全準備好去發現新的行星。系統的自適應光學系統並非一切順利：SPHERE 價值 100 萬歐元的 1,377 單元可變形反射鏡上的一些反射鏡彎曲執行器正在失效，而且團隊中沒有人能弄清楚原因。伯齊特說，最終的解決方案可能是用一種使用不同執行器技術的新反射鏡替換整個反射鏡。即便如此，他對 SPHERE 和 GPI 都將實現並超越各自的目標感到樂觀。與此同時，除錯工作必須繼續進行——它在今年早些時候結束，產生了它自己的第一批早期科學觀測結果，生成了幾個先前成像的行星系統的影像。
當我問他 SPHERE 與 GPI 之間的競爭時，伯齊特的第一個反應只是微笑並啜飲咖啡。片刻之後，他小心翼翼地說。“一旦我們都開始發現新的行星，就不會有人記得誰先升空，”伯齊特說。“我並不是說我們不會競爭和戰鬥，我們和美國人。但布魯斯·麥金託什和我認識 15 年了，我們都知道這有多難。我們慶祝我們的成功，分享我們的困難，以改進我們 दोनों 系統，為下一代天文臺和成像儀做好準備。”
“隨著所有這些設施幾乎在同一時間上線，我們正在進入一個新時代，”加州理工學院教授、時任 SPHERE 首席儀器科學家的迪米特里·馬維說。“我們將發現許多奇妙的事物，但我們也將大大推動自適應光學技術的發展。這對於下一代望遠鏡至關重要，這些望遠鏡將需要這些型別的控制來保持其巨大反射鏡的對準。”
其中一臺新的望遠鏡正計劃在 SPHERE 東北方向 20 公里的阿馬佐內斯山 3000 米的山峰上建造。在我訪問後不久，炸藥炸掉了山峰的頂部，為歐洲極大望遠鏡的建造清理了場地，歐洲極大望遠鏡是計劃在十年左右首次亮相的三座超大型天文臺之一。結合如此天文臺巨大的 30 米或 40 米反射鏡前所未有的集光能力，類似於 SPHERE 或 GPI 的系統將不僅能夠對外星木星進行成像，還能夠對更冷、暗淡 1000 倍、可能適宜居住的行星進行成像，這些行星環繞著離太陽最近的鄰近恆星執行。太空中的專用直接成像任務可以進一步探測它們，尋找生命跡象。前提是，這樣的世界真的存在並且可見。獲得這些影像，瞥見外星地球的前景，正是激勵 GPI 和 SPHERE 等專案背後許多人的動力。
麥金託什在我們在雙子座南方望遠鏡的對話中說過很多：“我將我們現在所做的一切都視為通往另一顆地球照片的道路上的步驟。總有一天我們會得到那張照片。如果我們最終從小型的、岩石行星的比例中獲得真正相關事物的 результати——哪些擁有海洋、大氣氧氣等等——並且這個數字結果非常小，那麼，這可能非常重要。在很長一段時間內，它可能對我們文明的程序沒有實際影響，但在哲學上，能夠說‘在 1000 光年內，我們是唯一像這樣的地方’，也許這會促使我們更加努力地不去搞砸它。”