互动科普

麦金托什在这里寻找另一个地球——更准确的说是另一个木星，许多科学家认为，这类观测对于寻找岩质、宜居带内的类地行星是必要的。他并不像其他天文学家那样，对一个天体进行几个月甚至几年的长时间观测，直到恒星的位置发生了微小的移动，或者恒星亮度的变化揭示了系外行星的存在。麦金托什的兴趣在于对遥远的行星拍照，把它们看作是遥远恒星周围的光点，从数光年之外观看它们快速旋转的气态表面。作为斯坦福大学的天文学家，麦金托什将这称为“直接成像技术”。

除了风的问题，令麦金托什感到不安的另一个原因是，在南面600千米外的另一个山峰上，天文学家让-吕克·伯齐（Jean-Luc Beuzit）也试图做同样的事情。在法国格勒努布尔行星学与天体物理学研究所工作的伯齐，既是麦金托什的朋友亦是竞争对手。命运和资金让他们同时出现在这些山头上寻找系外行星，从而弄清楚我们的地球是否只是宇宙中的沧海一粟。

在这一轮天文学竞赛中，麦金托什的特殊设备是一台价值数百万美元、小轿车大小的复杂的光学与波前传感仪器——该设备被称为双子星系外行星成像仪（GPI）。该仪器安装于主镜直径为8米的双子星南方望远镜上，抛光的镀银玻璃圆盘主镜的面积相当于1/8个标准篮球场。麦金托什和其他天文学家把“GPI”读作“gee pie”，就好像他们在谈论一种馅儿饼。伯齐也有“秘密武器”，他的设备更大——有小货车那么大，被称为光谱偏振高分辨系外行星研究仪器（SPHERE），安装于欧洲南方天文台的甚大望远镜阵中的一个望远镜上，这个望远镜的直径也为8米。这两个仪器都研发了十几年，近几个月内才完成初光（即首次投入使用）。从两个山顶出发，麦金托什和伯齐几乎在观测同样的恒星天体，都希望成为第一个拿到类木行星照片的团队。

过去20年间，在天文学家发现的5 000多个系外行星中，几乎没有一个可以直接拍摄到。直接对系外行星拍照极其困难，因为从地球上来看，即使最大的、至少处于宜居带内的行星，仍然太暗弱，而且它们距离恒星还是太近。对系外行星直接成像，即使是几个很小的像素上的像，也能对行星的构成、大气成分以及是否有生命存在的可能增加很多了解。通过GPI 和SPHERE寻求类木行星，已经用到了当前最先进的技术，人类现在还无法建造出够大、够精良的望远镜，从邻近恒星耀眼的星光中，分辨出类地行星微弱的行星光。如果我们真的建造出了可以直接观测类地行星的设备，那几乎可以肯定的是，这些设备是从GPI 和SPHERE发展而来的。

就像在日常生活中那样，在天文学中，只有亲自看到的东西才是令人信服的。虽然直接成像非常困难，但这种技术的效率会更高——今天，主流的行星观测技术只能给天文学家提供一些复杂的观测数据，而要得到直观的结果，往往需要数月甚至数年的分析才行，但直接成像的话，也许只需几个小时或几天，天文学家就能收到观测设备传回的照片。这就是麦金托什和伯齐在拍摄类木行星首张照片的竞争上，称得上是分秒必争的原因。

两个团队的竞争

在2014年5月的那个晚上，对于身处双子星南方望远镜控制室的麦金托什而言，时间意味着很多。他长着娃娃脸，一头新月形的棕发，厚厚的镜片后面是一双灵动的眼睛。当天晚上，他喝着健怡可乐，有些兴奋，由于刚从美国加利福尼亚州来到智利，时差显然还没有倒过来。麦金托什的一只鞋的鞋带已经松开了，屋子里飘着一股淡淡的糊味——来自一块被遗忘的披萨，只不过这块披萨已经被烤炉烤焦了。当他盯着一排电脑屏幕，监控着GPI时，似乎只有他的身体还在房间里，而思绪则来到旁边安置望远镜的圆顶内，随着穿过GPI的光束飞到了宇宙其他地方。

在GPI正式开始搜寻新的行星之前，首先要经过试运行阶段——较长时间的测试与校准。这个阶段始于2013年下半年，在2014年5月的时候，已经进入了最后阶段。这项工作单调而乏味，因为没有一个人会因为确保了仪器的正常运行而获奖。在这以分钟计量的竞赛中，GPI领先了刚刚开始试运行的SPHERE 25万分钟，这一点让麦金托什感到欣慰，然而SPHERE拥有一套更强大的仪器，并且获准使用望远镜的时间也比GPI多，这使得SPHERE 能够在比较宽的波长范围，在更大视场、更高空间分辨率上观测更多的星体。换句话说，即使GPI处于领先地位，SPHERE也能像伊索寓言中的乌龟那样追赶上来，获得第一张系外行星的图像。

由大气湍流引起的星体闪烁延误了GPI团队的观测工作。在等待风消退的过程中，麦金托什告诉我，几年前，当他、伯齐以及GPI和SPHERE团队中的其他重要成员在一次天文学会议晚宴上畅饮的时候，谁也没有想到未来的竞争会如此激烈。很长一段时间过去了，“我们会再一次聚在一起畅饮，分享各自的故事，”麦金托什说道，“即使现在，他们也不是我们真正意义上的敌人——云和风才是我们共同的敌人”。

几个小时后，风力减弱了，“好了，现在我们开始观测HD95086。”坐在旋转椅上的麦金托什向12个团队成员说道。其他成员立马开始工作，向隔壁圆顶房间内的电脑发出指令。很快，望远镜就指向了船底座中一颗距地球300光年的白矮星——HD 95086。这是一颗年龄只有1 700万年的年轻恒星，拥有一颗5倍于木星质量，轨道半径大约为冥王星2倍的行星。以前的那些功能稍弱的、具有直接探测能力的仪器曾观测到这颗行星，麦金托什团队会比较新图像与早期图像的结果，来校准GPI。

与GPI探寻的其他星球一样，这颗特殊的行星自形成以后，还没有冷却下来，会发出红外线。在亮度上，大多数行星的亮度都只有恒星的百万分之一，就像炽热火球周围的点点尘埃。年轻木星则有所不同，它们更像是篝火之后剩下的还红彤彤的余灰，这就是为什么GPI或者SPHERE有希望看到它们，并且了解它们是怎样形成和演化的。

木星的神秘起源

在天文学界中，没人知道太阳系中最大的行星是如何形成的，这是一个公开的、令人非常尴尬的秘密，但天文家非常希望弄清楚木星形成的机制，因为木星及其他巨行星是行星系统的建造者，并塑造了它们周围的环境。

大多数已知的围绕其他恒星运转的巨行星与木星并不相像，很多巨行星的轨道周期只有半周的时间，不同于太阳系内任何天体。广泛流传的一种理论是，这些地狱般的世界诞生于很远的地方，由于其他星体或者气体流的引力作用，它们螺旋式前进，逐渐靠近恒星。

从宜居性来说，这种行进方式并不是一个好消息，因为在这个过程中，螺旋行进的巨行星的引力场极有可能把周围的岩质小行星抛向黑暗的宇宙深空，或是炽热的恒星里。另外，由于这些巨行星离恒星太近，目前的技术也很难对它们直接成像。

与其他温度更高的类木行星一样，木星可能在早期也经历过迁移过程，但由于未知的原因，木星的迁移过程很短暂，并未行进到可以甩出其他行星的地方。木星最远行进到了火星所在的地方，然后就退回外太阳系，此后一直呆在那儿。尽管巨行星的迁移会破坏行星系统的宜居性，但就木星而言，它似乎让太阳系的环境更适合生命存在。

至于木星对宜居环境的影响，科学家有两种看法：在影响最低的情况下，木星在迁移过程中，把一些富含水份的彗星和小行星甩到了当时已经形成的地球上，为地球送来了孕育生命的海洋；在影响最大的情况下，木星进入内太阳系后，可能把其他已经存在的行星排挤了出去，让地球一开始就能在现在的地方形成。即便如此，木星曾经给予过地球的东西，它未来可能也会带走。数百万年之后，木星可能会给地球“送来”更大的小行星或彗星，引发连锁反应，让海洋沸腾起来，把地球的整个生物圈煮透。

从某种程度上说，所有这些细节都要追溯到木星形成的本质和时间。可以确信的一点是，45亿年前，一团冷的气态云和尘埃云塌缩，形成了我们的太阳，剩下的没有参与太阳形成的部分构成了一个星周盘（原行星盘），而其他行星就是由盘中的物质形成的。岩质行星相对较小，很容易通过自内而外的核吸积过程形成——相互撞击的岩石会逐渐聚集在一起，这个过程大约会花1亿年的时间。大多数研究者猜测，木星也是以同样的方式形成的，但如果是这样的话，木星的形成必然要更快才行，它需要在大约1 000万年的时间来形成大小相当于地球的核心，这样才能在年轻恒星发出的强烈星光把气体原料吹走前，有足够的时间收集并积累出浓厚的大气。

还有另一种可能。巨行星也可以像恒星一样，通过一种叫做盘不稳定性的自外而内的过程形成。在这种情况下，星周盘外部区域低温、高密度的尘埃气体团可以直接快速坍缩，形成类似木星的行星。现在，要辨别木星是通过这两种机制中的哪一种形成的几乎不可能，因为所有的证据基本上都隐藏于巨行星浓厚的大气中。

幸运的是，有另外一种验证巨行星形成机制的方法，那就是测量它们的温度。自外而内，由气体团直接坍缩成行星的形成过程发生得非常快，导致行星内部束缚了大量的热量，而通过自内而外的过程形成的行星虽然最初也很热，但相对前者来说温度较低。“当越来越多的气体聚集到岩石核心上，后来的气体在下落时会受到下面的气体，即在核心周围形成的大气层的阻碍。”GPI团队的合作者马克·马利（Mark Marley）说。马利在NASA埃姆斯研究中心工作，我后来采访了他。他主要研究行星形成理论，并帮助完成了核吸积过程的建模。“气体减速时产生了激波，下落气体的能量大部分都被辐射出来，导致正在形成的行星迅速冷却。因此当气体吸积停止时，由此形成的行星要比直接塌缩形成的行星冷得多。”

因此，一个巨行星的温度实际上记忆了它的诞生过程，行星越老，温度下降得就越多，记忆也就消退得越厉害。诞生于大约45亿年前的木星已经忘记了自己是怎样形成的。但年龄不到1亿年的年轻巨行星应该还完整地保留着自己的温度记忆，GPI和SPHERE正尝试在红外波段进行成像观测的就是这类行星。这两个项目的巡天计划中包含了数以百计年轻明亮的邻近恒星，有可能查明几十个巨行星的温度和形成历史，从而揭示它们形成的秘密并帮助我们了解太阳系这样的宜居系统是如何形成的。

为类木行星拍照

当GPI团队准备观测HD 95086时，一个单色圆圈突然出现在了麦金托什的屏幕上，圆圈里似乎填充着打了马赛克的流体，像是数字化处理后的流水特写镜头，或是没调好台，充满雪花的电视屏幕。

“这是受到风的影响，”麦金托什说道，“当星光穿过大气湍流后，会照射在探测器上，而探测器将驱动我们的自适应光学系统”。自适应光学系统是一组由电脑控制的变形镜，为了克服大气导致的畸变，这些变形镜可在一秒钟内变形几百次甚至上千次，让天文学家拍摄到可与空间望远镜媲美的照片。敲了几下键盘，并对他的团队下达了口头指令后，麦金托什启动了GPI的自适应光学系统。在8米望远镜的底端安装着两块GPI的变形镜，一块是市售的、现成的“woofer”镜（低分辨率、低速、变形幅度大），另一块稍小一点，是专门定制的“tweeter”镜（高分辨率、高速、变形幅度小），有4 000多个促动器。现在，两个变形镜正在同步起伏扭动，用镜面的凸起和凹陷，去匹配望远镜上空每处会导致光线模糊的瞬时空气扰动，使得星光恢复到近乎完美的状态。结果看起来十分神奇，电脑屏幕上变幻动荡的圆圈变得平滑稳定，仿佛头顶上的大气层突然消失了似的。现在，HD 95086在屏幕上形成了一个非常明亮的像。但没有行星的迹象。

为了让这颗恒星的已知行星显示出来，麦金托什采用了另一种装置，一个能遮住大部分星光的星冕仪。在星冕仪中，星光通过一系列掩膜之后会有99%的光子被过滤掉。那些通过了星冕仪的星光则汇聚在一起，照射到一块中心有一个孔的平面镜上，这个孔的打磨精度达到了原子量级。“恒星的光会射入孔中，”麦金托什解释说，“而行星的光则会被平面镜反射，进入仪器中，抵达一个能把光线按波长分解成不同组分的超低温光谱仪。”

现在，屏幕上的图像是围绕着中心黑影（即HD 95086）的光斑组成的白色光晕，那些斑块被称为散斑，是由星冕仪漏过的多余星光形成的。在GPI的图像中，散斑会掩盖行星或者伪装成一个行星。为了区分散斑和行星，GPI团队会在红外波段拍摄一系列不同波长的照片。当我们正盯着屏幕时，GPI项目科学家、加利福尼亚大学伯克利分校的詹姆斯·格拉汉姆（James Graham）教授说：“恒星和散斑之间的距离与成像波长成正比。” 波长较短，靠近光谱蓝端时，散斑会出现在距恒星较近的地方，而在波长较长，靠近红端时，散斑会出现在距恒星较远的地方，格拉汉解释道，“因此，当你观察不同波长的一系列图像时，你会发现散斑在移动，表明那不是行星。”

麦金托什像放电影一样，一帧一帧前后滚动着不同波长的图像，光晕像是会呼吸一样，随着所有光斑的统一移动而膨胀或收缩。所有的光斑中，只有一个比较特殊：从恒星散斑的汪洋大海中，我们找到了孤零零的一个固定不动的行星光点。不到半个小时，我们就从只能看到风，到了可以看到其他恒星身旁的一颗遥远行星。进一步分析GPI数据中的行星光谱后，研究者发现该行星的颜色非常红，可能是光线被其高层大气中的尘埃强烈散射的结果。这是一个从300光年外的行星身上发现的、虽然很小但令人激动的细节。

并非所有目标都这样难以观测，那些更近、更亮的星体很乐意向我们透漏它们的秘密。早些时候，GPI团队只用单次60秒的曝光就拍摄到了Beta Pictoris b的图像。这是一颗炽热的年轻巨行星，距离地球63光年，它的轨道半径几乎是木星绕日轨道半径的两倍。如此轻松就能看到该行星，这说明直接成像终于成了一种常规手段：稍早安装在双子星南方望远镜上的另一个直接成像仪之前也获得了类似的Beta Pictoris b图像，尽管它需要一个多小时的观测和大量的图像处理工作。GPI团队得到的新图像使他们对Beta Pictoris b轨道的估算达到了前所未有的精确度，他们还发现，从地球角度来看，该行星会在2017年挡在其恒星前面，发生凌星现象——这种罕见的排列有助于科学家更好地了解这颗遥远的巨行星。

在日出前剩下的几个小时中，GPI团队拍摄了双星和黯淡的尘埃盘，甚至还穿透土卫六浓厚而朦胧的碳氢化合物大气，观察了它斑驳的表面。接近黎明之际，当第一缕阳光从地平线边缘射出时，麦金托什靠在椅背上叹了口气，样子疲惫但心满意足。

在6天观测周期的最后一个夜晚，GPI团队发现了第一颗系外行星。该行星围绕着一颗年龄约为2 000万年的恒星运转，轨道半径是木星轨道半径的两倍。第一个注意到该星的人不是麦金托什，而是加利福尼亚大学伯克利分校的博士后罗伯特·德罗莎（Robert de Rosa），他在擦着另一个团队成员的肩膀而过，观看一些不起眼的GPI图像时，察觉到了一个闪烁的光点。随后的观测显示，这是一个质量相当于木星2~3倍的行星，距离地球100光年，是天文学家迄今为止观测到的与木星最为相像的行星。

“这是天文学家发现的第一颗看上去是温暖版木星而不是低温恒星的行星，”麦金托什说，“这颗行星可能很年轻，仍然‘记得’自己形成的过程。通过充分的观测我们能够确定它的质量和年龄，并查明它是自内而外形成的（我们认为木星就是这样形成的），还是像恒星一样过由外到内形成的。”

当麦金托什告诉我这些时，他也要我承诺，在GPI团队完成并递交论文之前一直保守这一秘密，“SPHERE同样可以非常容易地观测到这颗行星，”他说，“我们不知道他们是否已经在观察同一颗恒星，我们都有些紧张不安，唯恐被抢先。”

一个新的时代

天刚破晓不久，我就赶上了一架往北飞的航班，离开了双子星南方望远镜。随后，我租了一辆车，沿着智利一条车流稀少的高速公路，飞快地穿越了高海拔、气候干旱的阿塔卡玛沙漠。我全程跋涉600多千米，希望在夜幕降临前赶到SPHERE团队那里。在太阳刚刚落山不久，我到达了SPHERE所在的天文台。在一间狭小的控制室内，SPHERE团队的领导者伯齐正在调度他的团队，准备即将开始的试运行。天文学家们弯腰盯着计算机屏幕，小声地用法语、德语和英语交流着，试图忽略到访的纪录片摄制组的镜头与话筒。

留着蓬乱的深色头发和胡须的伯齐看上去有点像已故电影导演斯坦利·库布里克（stanley Kubrick），他一边喝着浓咖啡，一边从这个地方走到另一个地方，随时停下来听取报告并给出指示。在旁边的书架上，有一个贴有“SPHRERE初光”标签的空香槟瓶，看来刚喝完不久。

SPHERE在试运行阶段表现得非常好，拍了许多出色的天体图片，这其中包括一个围绕着HR 4796A的黯淡尘埃环。HR 4796A是一颗距离地球237光年的恒星，位于半人马星座，年龄大约为800万年。稍后，当我盯着这个环，以及在它中心的、被遮住的恒星时，我感到自己正被注视着——这个环看起来像是一只巨大的眼睛，目光穿越了辽阔的星际空间。

伯齐告诉我，尽管已经拍到了许多漂亮的照片，但在我到访的这一晚，SPHERE还没有准备好去发现新的行星，它的自适应光学系统出了点问题。在造价100万欧元，有1 377个单元的SPHERE变形镜上，有些负责弯曲镜片的促动器无法工作，团队中没人能找出原因。伯齐说，最终的解决方案可能把整个变形镜换掉，改成采用其他促动器技术的变形镜。即使如此，他仍乐观地认为SPHERE和GPI都会超额完成各自的科学目标。与此同时，仪器的试运行必须继续下去——这次试运行已在今年年初结束了，并获得了第一批早期科学观测数据，对先前已经拍摄到的行星系统进行了成像观测。

当我问到SPHERE和GPI的竞争时，伯齐的第一反应只是微笑并抿了一口咖啡，片刻后他很认真地说：“一旦我们都开始发现新的行星，没人会记得是谁第一个发现者。我不是说我们与美国人之间不存在竞争，但我和麦金托什已经相识15年，我们都知道这项任务有多困难，我们共同庆祝成功，分享遭遇的困难，改进各自的系统，为下一代天文台和成像仪器铺平道路。”

“随着这些观测设施在几乎同一时间启用，我们正进入一个新的时代，”加州理工学院教授，同时担任SPHERE首席仪器科学家的迪米特里·马维特（Dimitri Mawet）说，“我们将会得到许多奇妙的发现，我们也会大幅度地推进自适应光学技术的发展。而这将是下一代望远镜的基础，那些望远镜需要这类控制技术来维持巨大镜面的形态。”

下一代望远镜中的一个就计划建造于SPHERE北边20千米处、海拔3 000米的阿玛逊斯山的山顶。在我拜访后不久，为了给欧洲极大望远镜清理出地基，山顶被炸平了。欧洲极大望远镜是将在未来十年中投入运行的三大超级望远镜之一，这些望远镜将拥有口径达30米或40米的超大主镜。把它们那前所未有的强大集光能力与SPHERE或GPI这类系统结合起来，不仅能够拍摄自身会发出辐射的类木行星，也能对那些温度更低，比木星暗1 000倍的行星进行直接成像，从而在距离太阳最近的那些恒星周围拍摄到可能适宜生命居住的行星。然后，专门的空间直接成像观测项目就能够更深入地探索这类行星，搜寻生命信号。拍到这样的照片，一睹太阳系外“地球”的芳容，这一愿望一直激励着GPI、SPHERE等项目背后的团队成员。

当我在双子星南方望远镜与麦金托什交谈时，他也说了类似的话：“我把我们现在做的每一件事情都视为争取拍摄到另一个地球而做出的努力，将来的某一天我们会获得它们的照片。如果我们最终得出了拥有海洋、大气和氧等重要东西的小型岩质行星所占的比例，而且发现这个数字其实非常小，那将是非常重要的事情。这一发现可能在很长一段时间内都对人类文明的进步没什么实际影响，但在哲学上，当我们认识到‘在1 000光年以内，地球是唯一一个有生命的地方，’这可能会提醒我们小心点，别把地球搞砸了。”