比鄰星新發現:最接近地球的行星 Proxima b

雖然人類仍未踏足太陽系內、地球以外的行星,到另外一個太陽系探索已經漸漸由科幻題目變成嚴肅的科學議題。

過去二十年,隨著望遠鏡技術不斷提昇,科學家至今已發現了超過 3,300 個太陽系外行星,來自超過 2,600 個行星系統。1992 年,人類首次發現環繞一顆脈衝星 PSR B1257+12 公轉的兩個行星 Draugr 和 Poltergeist,其後於 1994 年又再發現繞其公轉的第三個行星 Phobetor;1995 年,人類首次發現環繞主序星 51 Pegasi 公轉的行星 Dimidium。

天文學家希望找到接近地球又有可能孕育生命的系外行星。可是宇宙非常大,被發現的系外行星多半都離太陽系頗遠。截至今年 8 月 23 號,其中已被證實、離太陽系最近的系外行星是環繞紅矮星 Gliese 687 公轉的 Gliese 687 b,離地球約 14.77 光年。可是這個行星的質量介乎 16 至 20 倍地球質量,應是類似於木星的巨型氣體行星,並非類地行星。

[左:綜合超過 16 年觀測數據發現的 11.19 天擾動週期。右:11.19 天週期訊號強達 99.9999% 。(Anglada-Escudé et al. 2016)]

2016 年 8 月 24 號在國際期刊 Nature 「自然」上刊登的一篇論文將永遠改變行星與星際探索科研方向的發展。Guillem Anglada-Escudé 帶領的團隊發現,離地球最近的恆星 Proxima Centauri「比鄰星」有一個約比地球重 30% 的行星,他們稱之為 Proxima b。由於比鄰星是最接近地球的恆星,離我們的太陽系只有約 4.2 光年,因此 Proxima b 將永遠是人類能夠到達的、最近的系外行星。更重要的是,Anglada-Escudé et al. 發現 Proxima b 或位於比鄰星系統的適居帶。換句話說,液態水或能於 Proxima b 表面存在。

Anglada-Escudé et al. 發現 Proxima b 是離地球最近又同時可能適合生命存在的系外行星,可謂同時滿足了科學家的兩個願望。因此,研究團隊非常謹慎地使用不同方法檢查他們得到的結果,最後得出一顆公轉週期約為 11.19 天的行星最有可能解釋其觀測數據。嚴謹的反複檢驗加上自我批判的科學精神,令這份刊登於自然期刊上的論文一夜成名,在科研界和科普界引起了人類探索系外行星可能性的激烈討論。

比鄰星是一顆十分暗淡的恆星,其表面溫度約為 3,000 度,是太陽的一半,而發光度只有太陽的千分之一左右。如果我們在 Proxima b 上,就會看到一個非常紅的太陽 (本文封面圖片)。因為觀測非常困難,過去對於比鄰星有行星一說只停留在懷疑階段。不過,由於比鄰星只有太陽的 12% 重,體積約為太陽的萬分之三,而 Proxima b 卻比地球還重,而且距離比鄰星只有 0.05 個天文單位 (是地日距離的 5%), Proxima b 對比鄰星造成的重力擾動就得以被現代天文望遠鏡探測到。

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[研究團隊使用的數據精度很高,能夠測量比鄰星低於 2 m/s 的擾動速率。(Anglada-Escudé et al. 2016)]

Anglada-Escudé 團隊由今年 1 月 19 號到 3 月 31 號幾乎每晚都觀察比鄰星,再結合 2016 年前收集到的、累積了 16 年的大量數據,使得他們能夠以高達 99.9999% 機率確定 Proxima b 的存在。他們觀察比鄰星的光譜,發現有一個週期約為 11.19 天的擾動。這就表示,當排除了恆星本身的活動所造成的擾動之後,必然有一個看不見的物體對比鄰星來回「拉扯」。

Anglada-Escudé et al. 的分析顯示 Proxima b 的表面溫度介乎 -50 至 -30 攝氏度,如果行星擁有大氣層的話,在一定的氣壓下水能夠以液態保留於其表面之上。不過,比鄰星算是一顆活躍的恆星,其表面活動如閃耀等會令 Proxima b 暴露於比地球高 400 倍的 X 射線之中、平均磁場亦高達太陽的 600 倍左右,有可能破壞 Proxima b 的大氣。不過亦有研究指出類似系統的大氣流失量頗少,而且 Proxima b 因為太接近比鄰星,造成所謂潮汐鎖定現象,即 Proxima b 永遠以同一面面向比鄰星,就像月球永遠以同一面面向地球一樣。研究顯示這個潮汐鎖定現象有可能保護大氣免受高磁場破壞。

卡爾.薩根說過,我們生於幸運的一個世代,能夠目睹科學以史無前例的速率發展。然而,人類未來能否飛到比鄰星探索,看看 Proxima b 上有沒有生命存在,就要看我們懂不懂得首先珍惜地球,我們在浩瀚宇宙中唯一的家園。

研究論文:Anglada-Escudé et al., A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri

封面圖片:ESO/M. Kornmesser

延伸閱讀:

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人類並沒探測到外星巨型結構

今年初,一份系外行星天文學論文 (Boyajian et al. 2016) 引起了熱烈討論。香港和海外各大新聞媒體都爭相如此報導:天文學家有可能發現了外星生命建造的巨型結構。

這份論文討論由克卜勒太空望遠鏡 (Kelper Mission) 發現的一個系外恆星 KIC 8462852。克卜勒太空望遠鏡是專門尋找太陽系外行星系統的太空望遠鏡,設有非常敏感的測光和光譜儀。多年以來天文學家尋找系外行星的主要方法都是測量恆星的細微擾動,利用牛頓重力定律計算出其旁邊看不見的行星同伴。這個方法只能找出巨型的類木型氣體行星,因為類地型的細小岩質行星對其恆星的擾動非常小,難以探測。

克卜勒太空望遠鏡主要利用另一個手段去尋找系外行星。當行星繞到恆星與地球視線之間,就會遮擋了一部分由恆星發出的光。透過監察恆星亮度的週期性突然下降,就能計算出該行星繞行的週期、距離恆星的距離、行星的大小等等數據。克卜勒太空望遠鏡的測光儀非常靈敏,截至 2016 年 5 月已經發現了超過 1,200 個系外行星,其中約 45% 是岩石型行星。克卜勒太空望遠鏡在 2009 年升空至今短短幾年之間,其發現的系外行星數量已遠遠超過過去幾十年所發現的總和。

KIC 8462852 的初步數據分析是由業餘天文學家負責的。由於克卜勒太空望遠鏡持續監察超過 150,000 顆恆星,天文學家根本沒有足夠人手去處理和分析其非常龐大的數據量。因此克卜勒太空望遠鏡團隊開發了一個網上平台,名為 Planet Hunters。業餘天文學家可以利用平台上的研究工具去分析恆星的光變曲線。當他們發現恆星的光變曲線有著週期性的光暗變化,就可以利用 Planet Hunters 上的討論區與其他人討論或者交由專業的天文學家作進一步分析。任何人有興趣可以參與這個計劃。

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KIC 8462852 的光變曲線,可見最巨型的亮度下降至 0.8 以下。(Boyajian et al. 2016)

今次發現的恆星 KIC 8462852 之所以特別,並非因為發現了其行星系統。相反,這是因為沒有發現到行星系統,同時卻探測到有不規則的光暗變化。根據克卜勒太空望遠鏡的光譜分析, KIC 8462852 是顆常見的 F 型恆星。可是 Planet Hunters 卻發現其在短短 80 日內有至少 7 次不規則的光暗變化,其亮度下降可達超過 20%。

天體物理學中所有的恆星模型都無法解釋如劇烈的光變曲線。不規則的光暗變化也把行星排除在解釋之外,因為行星不旦難以遮掩高達 20% 的光、其遮擋星光亦應為週期性的。因此 KIC 8462852 引起了天文學和業餘天文學界的熱烈討論。

已故著名天文學家、科學普及家卡爾.薩根 (Carl Sagan) 說過:「非凡的斷言需要非凡的證據。」對於如此非一般的光變曲線,克卜勒太空望遠鏡的天文學家非常仔細地檢查了 KIC 8462852 的數據,確定這絕非由人為、機械或電腦錯誤引起。

Boyajian et al. (2016) 的論文裡討論了各種可能性,並以嚴謹的數學去論述每一個可能性的優點和缺點。論文作者們認為最有可能的解釋是,恆星的光被彗星或類行星的碎片遮擋。他們更計算出原天體的質量下限為地球質量的 0.05%、直徑約為 100 公里。作者們亦承認,這個假說雖能解釋大部分的數據,但仍未能解釋其中一些細節,例如其未能對 KIC 8462852 的紅外線觀測提供一個可靠的限制。

而最重要的是,整篇論文從頭到尾從沒提出過是外星巨型結構遮擋 KIC 8462852 星光的假說。所有「發現了包圍 KIC 8462852 的外星巨型結構」的報導全是記者們自己的憑空猜想,完全缺乏嚴謹的數學計算支持。我更看見有科學報導員引述大學研究員說的「我們不能排除外星巨型結構的假說」然後大造文章。這就是斷章取義的結果:你問一個誠實的科學家,他當然會如此回答,因為事實上現有數據真的不能排除這個可能性。但這不代表這可能性是高的;其他可能性,如 Boyajian et al. (2016) 討論的類行星的碎片假說,更為簡單直接、可能性亦更加高。

你可能不明白我為何這樣執著。原因是在科普界有一種近乎偽科學的現象,文章寫手喜歡利用一些聽起來有趣的題材去吸引讀者。這樣做雖未至於偽科學的程度,但亦是對科學精神的扭曲、誤導讀者。在今天的香港,我們稱之為語言偽術。我們可以輕易地提出無窮多種「不能被排除」的假說。這些斷言的問題是,並非每個可能性的機率都是一樣的。而這些「不能被排除」的假說的機率,相比起學術論文裡討論的不完美但簡單的假說的機率,往往都是低到可以忽略的程度。這不是什麼所謂的「科學霸權」,這叫做「科學精神」。

或者,這叫做「誠實」。

Boyajian et al. (2016) 論文 “Planet Hunters IX. KIC 8462852 – where’s the flux?

克卜勒太空望遠鏡:kepler.nasa.gov

Planet Hunters 計劃:planethunters.org

延伸閱讀:

費曼誕辰:談科學精神、機率和不確定性》- 余海峯

封面圖片:NASA Ames Research Center/W. Stenzel (OSC)/Artist’s Concept