天文學家有史以來第一次可能瞥見了來自另一顆恆星周圍適宜生命軌道世界的光線。
這顆行星候選天體仍未被證實且沒有正式命名，僅僅是計算機螢幕上的一小團畫素，一個潛在的訊號從背景噪聲的海洋中浮現出來。如果被證實是真的，這個發現從大多數方面來看並不特別引人注目：一顆估計比地球大五到七倍的“溫暖的海王星”，這種世界已經被 NASA 的開普勒和凌日系外行星巡天衛星等銀河系普查員揭示為在銀河系中很常見。但即使它將被氣體籠罩，並且基本上沒有任何可以站立的表面，它與恆星的距離也會將其置於所謂的宜居帶中，液態水可能存在於此。由於相關的眩光，在任何其他恆星周圍的這個星光照射區域中，還沒有直接看到其他行星。而這個世界的赤道座標將直接來自天文學家最狂野的夢想——它將圍繞著一顆被稱為半人馬座阿爾法星 A 的太陽近親執行，後者也是一個三星系統中的一員，距離我們只有不到 4.5 光年，是離我們最近的星系。
由於其近距離，該系統的其他成員——一顆略小的類太陽恆星半人馬座阿爾法星 B 和矮小的紅矮星比鄰星——也是天文學家的高度優先目標，他們已經間接探測到比鄰星周圍至少存在兩個世界（包括一個可能是岩石質的，並且位於該恆星的宜居帶內）。無論是尋找城鎮另一端的房產還是另一顆恆星周圍的房產，位置確實至關重要。半人馬座系統非常近，這為尋求研究那裡存在的任何世界的大氣層和表面的科學家提供了獨特的前排座位，特別是為了尋找可能的生命跡象。
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天文學家很久以前就瞭解到，行星在某些方面就像家庭害蟲：在一個地方看到一個，就可能在其他地方找到更多。這就是為什麼，儘管可能只是試探性的，但半人馬座世界的新興作物暗示著尚未被發現的無數發現，這些發現可能會深刻地改變我們對自身在宇宙中地位的看法。
這些發現於 2021 年 2 月發表在《自然·通訊》雜誌上。它們來自一個名為“突破守望”（Breakthrough Watch）的國際行星獵人聯盟，透過一種名為 NEAR（半人馬座阿爾法星區域新地球）的獨一無二的“直接成像”儀器的首次科學執行獲得，該儀器在智利的歐洲南方天文臺（ESO）甚大望遠鏡（VLT）上執行。這項工作以其主要資助組織“突破倡議”（Breakthrough Initiatives）命名——矽谷億萬富翁尤里·米爾納的心血結晶，他也是相關專案的贊助者，這些專案旨在在天空中尋找外星文明的跡象，並將品脫大小的星際探測器傳送到半人馬座阿爾法星系統。
“半人馬座阿爾法星為我們提供了一個神奇的機會，因為在天空中沒有比這裡更好的地方來嘗試直接成像小型、潛在宜居的行星，”研究合著者、突破倡議首席工程師皮特·克魯帕爾說。“在某種意義上，這就像是唾手可得的果實——僅花費 300 萬美元，我們就能與我們的國際合作夥伴一起建造一臺儀器，以利用 ESO 在其望遠鏡上投入的數十億美元。但這也像是在大海撈針，這就是為什麼以前沒有人這樣做過。政府傾向於建造普查儀器，以觀察大量的恆星並保證投資回報，而 NEAR 則是專門為做這一件冒險的事情而建造的。”
“當我們進行全球規模的合作時，我們會發現新的世界，並且我們不斷進步，”米爾納說。“在我們天體後院中識別出一個候選宜居帶行星將繼續激發我們的好奇心。”
閃爍訊號
這個候選天體誘人的訊號來自 VLT 上 100 小時的觀測，總共跨越了 2019 年春季的 10 個夜晚。到那年 6 月，當“突破守望”團隊成員篩選他們的觀測結果時，他們開始意識到他們可能有所發現。該研究的主要作者、亞利桑那大學的薩根博士後研究員凱文·瓦格納，首先看到了行星狀閃爍訊號的明顯證據，它遠遠高於 NEAR 的儀器噪聲。這發生在他在南卡羅來納州喬卡西湖度假期間遠端處理一批資料時。透過測量其亮度，並將其夾在其他小組先前的研究中計算出的行星質量和大小的限制之間，“突破守望”團隊估計，如果這個閃爍訊號確實是一顆行星，那麼它最有可能在海王星和土星之間的大小。到 11 月，他和他的同事們確信這個發現值得發表，即使它最終被證明不是一個世界。（這不會是我們鄰近的恆星系統第一次愚弄天文學家。2012 年關於半人馬座阿爾法星 B 周圍一顆小行星的同行評議主張幾年後就消失了，被發現是恆星噪聲的產物。）
“在某種程度上，我希望這次我們也什麼都沒探測到，”瓦格納說。“因為我最興奮找到的是半人馬座阿爾法星宜居帶中的類地行星。在半人馬座阿爾法星 A 的宜居帶中存在一顆海王星不會排除附近存在更小的行星，但它會限制我們希望在那裡找到岩石世界的某些區域。”
對於這個微弱的訊號，還有很多其他可能的解釋，這個訊號本質上是一縷紅外光子熱流——也就是說，熱量——它似乎起源於半人馬座阿爾法星 A 宜居帶的外邊緣。在可見光中，一顆類太陽恆星比一顆小型岩石行星亮數十億倍。但在紅外線中，恆星較暗，行星最亮，因此這種對比度“僅”以百萬計。
幾十年來，即使實現這種更適度的測量也存在困難，這限制了直接成像，使其只能用於繞恆星遠距離執行的熱巨行星。直到 NEAR 被建造出來。它是一種中紅外日冕儀，一種專門設計的儀器，旨在在 10 微米的緊密波長下消除恆星的大部分熱光。透過自適應光學元件增強以補償地球大氣湍流造成的模糊，在執行中，它每十分之一秒在半人馬座阿爾法星 A 和 B 之間切換焦點，使用對每顆恆星的觀測來幫助校準另一顆恆星的觀測。它逐步消除星光，並堆疊一幀又一幀，以使任何微弱的行星光線積累並最終被看到。但是，任何由此產生的閃爍訊號可能不是暴露行星的存在，而可能是一個遙遠的背景天體、一團被星光溫暖的塵埃、一個圍繞恆星執行的小行星帶，甚至是從光束線洩漏並噴灑到儀器內部敏感光學元件上的雜散光子造成的錯誤干擾。瓦格納和他的合著者已經排除了第一種可能性（沒有已知的背景恆星或星系可以解釋這個閃爍訊號），但其他可能性在不同程度上仍然存在。
對閃爍訊號的行星狀態的確認應該相對簡單：只需在足夠的時間過去後嘗試再次觀察它；如果它實際上是一顆行星，那麼它的軌道運動將使其掃到圍繞其恆星的一個新的、非常不同的位置。隨後，使用 NEAR 進行更耗時的研究可以粗略地測量閃爍訊號的顏色，以幫助消除“塵埃雲”假說。但這並沒有實現——至少目前還沒有——因為隨後的 COVID 大流行關閉了天文觀測臺和全球大部分其他事物。
“時機真是太可惜了，”耶魯大學的資深行星獵人黛布拉·費舍爾說。她與這項研究無關，但她和她的前學生莉莉·趙的工作已經對可能或可能不存在於半人馬座阿爾法星系統中的行星施加了迄今為止最好的約束。“如果它在半人馬座阿爾法星 A 周圍的宜居帶中，那是一個類地軌道，因此在六個月後觀察可能會確定它，”費舍爾說。“沒有這一點，這篇論文不是行星探測論文，而是對 NEAR 在中紅外監測半人馬座阿爾法星的能力的演示。但是如果這被證明是正確的——哦，我的天哪，那就太棒了。”
勇敢的新世界
目前，NEAR 是地球上唯一有現實機會對半人馬座阿爾法星隱藏的世界進行成像的日冕儀。但是，其他儀器和設施已經在等待著對該系統進行自己的仔細檢查。費舍爾的高精度 EXPRES 徑向速度攝譜儀和更先進的歐洲同類裝置 ESPRESSO 都已投入執行。它們可以透過觀察每個世界的軌道牽引在其宿主恆星上引起的週期性擺動，來幫助間接證實這顆行星候選天體和其他天體——並可以估計它們的質量。一種相關的技術，天體測量學，可以做大致相同的事情，透過測量每個世界的引力影響如何稍微改變其恆星在天空平面中的位置來精確定位行星質量。使用智利的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列或甚至是突破基金資助的適度專用太空任務的此類觀測可能會在本十年晚些時候發生。
美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡於 2021 年 12 月發射，根據韋伯最傑出的科學家之一、加州理工學院的查爾斯·貝奇曼領導的一項研究，如果給予一整天的觀測時間，它也可能能夠直接成像這顆候選行星。“由於半人馬座阿爾法星 A 是我們太陽的雙胞胎，並且距離不到五光年，它確實是我們最近的太陽鄰居，”貝奇曼說。“這使其在天空中所有的恆星中脫穎而出。在未來幾十年中，沒有其他系統可以進行更詳細的可能研究。”
該航天局韋伯的後續任務，南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡，也將攜帶日冕儀作為技術演示，這可能可以拍攝到這顆候選天體的照片。
在羅曼可能發射的同時，新一代與巨型地面天文臺配對的複雜日冕儀應該開始執行，這些日冕儀可以在幾分鐘內生成半人馬座行星的影像，而目前在 VLT 上使用 NEAR 的時間需要數小時。配備 30 米或更大口徑的聚光鏡，ESO 的歐洲極大望遠鏡及其美國的同類產品，巨型麥哲倫望遠鏡，理論上都可以從半人馬座阿爾法星 A 周圍宜居帶的海王星收集足夠的光線，讓研究人員研究其大氣層，嗅探那裡發生的熟悉或陌生的化學反應。（第三個龐然大物，美國的三十米望遠鏡，計劃在北半球的一個地點建造，從那裡看不到半人馬座阿爾法星。）
最後，美國宇航局和其他航天機構現在正在研究 2040 年代數十億美元的太空望遠鏡的概念，該望遠鏡可以對半人馬座阿爾法星以及許多其他鄰近恆星周圍的小型岩石行星進行成像和尋找生命跡象。
所有這一切都意味著，即使來自半人馬座阿爾法星的最新候選天體被證明是虛假的，它仍然預示著一些非常真實的事情：行星搜尋天文學家即將迎來一場鉅變，他們將從安全的統計調查轉向對單個世界進行更大膽的深入研究，其中一些世界可能孕育著生命。
“對我來說，這件事是否真實幾乎是次要的，”直接成像領域的創新者、“突破守望”主席奧利維爾·蓋恩說。“因為無論如何，它都表明我們顯然正在開啟天文學史上的一個新時代，在這個時代，經過 20 多年的辛勤工作，我們終於可以對另一顆恆星的宜居帶進行直接成像了。這是該領域‘遊戲開始’的時刻。”