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宇宙實驗室

總而言之，開普勒望遠(yuǎn)鏡花了6億美元，又搶占了全球媒體的一天頭條，回報給人類的只是一些遠(yuǎn)方行星的間接證據(jù)，對改善地球環(huán)境、緩解資源壓力毫無幫助。那么，我們?yōu)槭裁匆С诌@樣的項目，為什么要為了遠(yuǎn)方行星的幻影而歡呼呢？

讓我們先放下這個問題，分析一下“開普勒”是如何“看到”（這次不是字面意思啦）這些行星的。

嚴(yán)格說來，我們從未“看清”任何太陽系外行星，甚至完全看不到其中的絕大多數(shù)。讀者應(yīng)該記得，我們把太陽系里的知名星體都“看”清楚也不過是上周的事情——在新視野號抵達(dá)目的地之前，冥王星對人類而言只是毫無細(xì)節(jié)的一個圓面。至于距離以光年計的恒星，絕大多數(shù)在最強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡里也只是無法分辨大小的光點(diǎn)，更不要說這些恒星周圍的行星了。最近幾年，隨著望遠(yuǎn)鏡技術(shù)和圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，人類勉強(qiáng)能通過望遠(yuǎn)鏡給一些離太陽系足夠近、也足夠大的系外行星拍照。你不要對這些照片預(yù)期過高——只是一些能看出顏色的光斑而已，模糊到無法判別圖像的邊緣。

圖2 系外行星VHS 1256b

但“眼見為實”這句話并不適用于科學(xué)。一個巨大的行星在軌道上旋轉(zhuǎn)，除了反射可見光，還會制造許多其他的效應(yīng)，可以用精密的儀器進(jìn)行測量。只要測量到這些效應(yīng)，我們就算從未看見這個行星——比如這次的Kepler 452b，我們依然可以推斷出它的存在。不要忘了，太陽系里肉眼可見的行星，除了我們腳下的地球，只有金木水火土5顆。從天王星開始，我們就要借助望遠(yuǎn)鏡和照相機(jī)才能觀測行星反射的太陽光。到了海王星，已經(jīng)是“筆尖上的發(fā)現(xiàn)”，即我們在通過望遠(yuǎn)鏡看到海王星的反光之前，就已經(jīng)通過引力效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了它的存在，比較準(zhǔn)確地預(yù)言了它的軌道。對于太陽系之外的行星，人類雖然更難“看見”，但也能通過類似的方式去觀測。

比如說，足夠大的行星會對恒星產(chǎn)生引力牽引，導(dǎo)致恒星的位置周期性地擺動。記錄擺動的周期和幅度，再根據(jù)光度和光譜分析恒星的質(zhì)量?？茖W(xué)家就能推斷出恒星周圍行星的質(zhì)量和軌道。如果恒星有多個行星，恒星就會呈現(xiàn)多個不同幅度的擺動疊加。只要觀測的時間足夠長，還可以推斷每個行星的軌道和質(zhì)量。

從光學(xué)上說，雖然大多數(shù)行星的反光被淹沒在中心恒星的星光里。但從地球的角度看過去，部分行星的軌道會恰好從恒星面前通過，周期性擋住恒星的一部分光芒，導(dǎo)致恒星的光度下降。只要已知恒星的半徑和光度，也可以通過簡單的幾何分析來推斷行星的半徑。

某些行星有大氣，或是本身就是木星這樣的氣態(tài)行星。這樣的行星擋在恒星前面時，大氣會吸收一部分恒星的光線。通過分析哪些頻率的光線被吸收，我們能知道行星的大氣包含什么氣體。如果包含水蒸氣，再考慮行星和恒星的距離，就能大概推斷行星上是否有液態(tài)水。

除了可見光，恒星還會在紅外、紫外、射電等頻率發(fā)射各種各樣的電磁波。行星既能遮擋這些電磁波，也能反射電磁波。射電望遠(yuǎn)鏡會提供很多超越“看見”的信息。

人類運(yùn)用了如此之多的手段去觀測系外行星，如果把邏輯反過來說，就是系外行星為人類提供了無比宏大的實驗室，驗證和探索我們對這個世界的基本認(rèn)識。誠然，人類無法干預(yù)這個實驗室的運(yùn)行，就像歷史學(xué)也無法做實驗一樣。但人類可以通過足夠多的史料來總結(jié)歷史規(guī)律，也可以通過觀測足夠多的星體來彌補(bǔ)被動觀測的不足。我們能看到多少星呢？

全天肉眼可見幾千顆星，但只要拿起一副最簡陋的雙筒望遠(yuǎn)鏡，這個數(shù)字立刻暴增到幾萬顆。幾千塊錢的望遠(yuǎn)鏡可以讓你觀測幾百萬星體，專業(yè)的天文臺就必須用“億”來描述自己的觀測對象。至于人類現(xiàn)在到底能看到多少顆星星，這個數(shù)字無法回答，但至少也得用千億來衡量。

如此之多的星體，即便大多數(shù)是平淡無奇、彼此相像的主序星（像太陽這樣的中年恒星）和紅矮星，但只要有足夠的耐心去逐個分析，總能找到符合特殊要求的“實驗對象”，為人類提供各種極端狀態(tài)的實驗條件。開普勒望遠(yuǎn)鏡只工作了幾年，就找到了幾百顆系外行星，其中絕大多數(shù)“恰巧”正好可以擋在恒星和地球之間。這說明只要觀測的對象足夠多，小概率事件也是必然事件。

天文學(xué)這個宏大實驗室對物理學(xué)的貢獻(xiàn)不可低估。習(xí)近平在演講中特意提到過：“天文學(xué)與其他學(xué)科交叉融合實現(xiàn)的每一次重大突破，都對基礎(chǔ)科學(xué)乃至人類文明進(jìn)步帶來現(xiàn)實的和長遠(yuǎn)的深刻影響”。這話說的不錯，愛因斯坦的廣義相對論、牛頓的力學(xué)定律和萬有引力公式都是通過天文學(xué)觀測得到驗證的。否則的話，人類不可能找到恒星那么大的引力源去偏折光線，牛頓時代也無法找到標(biāo)準(zhǔn)化的實驗工具來建立現(xiàn)代物理學(xué)體系。被寫進(jìn)物理課本的基爾霍夫（基爾霍夫電流定律）曾通過光譜分析出太陽大氣的構(gòu)成元素，被人調(diào)侃“你知道太陽上有金子又如何？能挖到么？”，轉(zhuǎn)眼他就因為光譜分析方面的研究獲得了金質(zhì)獎?wù)隆獙τ谌祟惖目萍歼M(jìn)步來說，天文學(xué)提供的實驗案例是用黃金也換不到的“富礦”。所以，不必奇怪，就在我?guī)装倜淄獾纳虾＝煌ù髮W(xué)，物理系的全名是“物理與天文系”。