地球，人類的搖籃，貫穿我們的一生。但它不會永遠是這樣，只要一顆巨大的隕石就能將我們從地球表面上抹去。不僅是流星，我們的星球自身也將會改變。我們的星球可能會結冰，也可能會升溫，超級火山可能會爆發……而且我們的太陽終將會死去。我們的地球實際上已經接近宜居帶的盡頭，為了能在這個宇宙中生存，我們需要一份保險單……去殖民其他世界。
擁有多個被殖民的行星，確實符合我們人類自身生存的利益。那麼我們能在銀河系找到新家嗎？我們能找到地球2.0嗎？
幾個世紀以來，我們只知道太陽系中的為數不多的幾顆行星。現在，天文學家在系外恆星周圍發現了數千個新的世界——系外行星。
科學家們正在大量地發現系外行星。系外的行星與恆星一樣數量眾多，而銀河系中有數千億顆恆星。但是在那麼多的系外行星中，是否有某一個行星能夠為人類提供新的發展機會，並在危險的宇宙中提供庇護所呢？
2016年8月，天文學家宣布地球2.0比任何人預想的都要近……一顆圍繞太陽最近的恆星紅矮星比鄰星運行的行星。
我們最近的恆星鄰居有一顆系外行星，它離我們只有4光年遠。這意味着我們有可能會到達那裡並對其進行探索。
科學家們將這顆行星命名為半人馬座比鄰星b，簡稱比鄰星b，一個看起來很像地球的世界。
比鄰星b想象圖
從它對比鄰星的牽引來看，科學家們知道它的質量是地球的1.3倍，它和地球差不多大。
在科學家們所知道的系外行星中，大多數都是不適合居住的氣態巨行星，像木星一樣。但比鄰星b的發現很罕見，雖然是一個地球大小的行星，但這個地球大小的行星可能不像地球。
一個真正的第二個地球必須與它的恆星保持正確的距離，即在宜居帶內，也有人叫它適居帶。需要離恆星有一段距離，如果離恆星很近，那麼這個地方會燃燒並蒸發所有的液體。
但如果離恆星距離太遠，那麼離寒冷的地方也就不遠了，所以這是一個特殊的區域。
比鄰星b在這個區域嗎？它有液態水嗎？
比鄰星b每11.2天圍繞其恆星公轉一圈，而地球則每365天圍繞太陽公轉一圈。
之所以比鄰星b的公轉周期這麼短，是因為這顆行星離恆星的距離比地球離太陽的距離要近得多。
地球的軌道距離太陽約15000萬公里，比鄰星b的軌道比這近了20倍。距離它的恆星不到800萬公里。
你可能會認為比鄰星b應該是一個油炸過的世界，一個被燒毀的外殼，但是比鄰星b的“太陽”和我們的太陽很不一樣。它的溫度僅略高於2760攝氏度，溫度只有太陽的一半，體積比太陽大約小了8倍，是小號的紅矮星。
比鄰星b所圍繞的小號紅矮星其亮度和溫度都要低得多，所以它可以在離它更近的軌道上運行，而溫度和地球上一樣。
比鄰星b圍繞紅矮星的緊密軌道運行，可能使這顆行星適合居住，但它與地球大不相同，這顆恆星主宰着天空，用一種陌生的紅色輝光照亮着所有的海洋和山脈。
比鄰星b星球表面想象圖
所以比鄰星b可能就是我們一直在尋找的地球2.0。
正當科學家們以為找到了適合人類居住的地球2.0，並為此感到高興時，2017年，這顆昏暗的紅矮星以一種科學家們從未見過的方式爆發了……用輻射摧殘着星球，一個巨大的耀斑。
它很像太陽的耀斑，但能量更大，事實上，它們比恆星本身還要耀眼。當我們太陽的磁場變得糾結時就會釋放出強大的太陽耀斑。但比鄰星超級耀斑的強度是太陽最強耀斑的10倍！
在劉慈欣的科幻小說《流浪地球》中，比鄰星就是地球的最終目的地。如果科幻成為現實，那麼那時的人類肯定就要面對比鄰星的這個比太陽強10倍的耀斑了。
在一顆小號紅矮星上，磁場可能比我們的太陽更複雜，這意味着當耀斑發生時它會釋放出更多的能量。
科學家們認為像這樣的巨型耀斑是行星殺手。輻射會撕裂行星的大氣層，這些巨型耀斑大約每年都會襲擊比鄰星b一次。
紅矮星非常喜怒無常，它們並不是它們的行星的合格父母。所以如果比鄰星b在某一時刻確實有大氣層，但它會被這些猛烈的爆發全部吹走，讓比鄰星b暴露在危險的太空中。
大氣會減弱光和陰影之間的溫度梯度，所以在比鄰星b行星上，有陽光的地方會非常熱，但在旁邊的陰影中，就會非常冷。
如果沒有大氣層，比鄰星b將是一片貧瘠的荒地。
比鄰星b，也許是迄今為止科學家們找到地球2.0的最好機會，而實際上是一個乾涸的外殼。它失去了大氣層，同是可能失去了它所擁有的水分，這僅僅是因為它離母恆星太近了。
比鄰星b可能是最近的系外行星，但它不是唯一的選擇。
【另一顆紅矮星旁邊的行星——trappist-1e】
在一個無情的恆星系中發現地球2.0，可能是滅絕和生存之間的區別。
我們的星球不會永遠存在，人類的未來取決於一顆系外行星，問題是，在哪裡？
2016年，天文學家用新的凌日行星和星子小型望遠鏡（或稱特拉普望遠鏡）掃描天空。他們尋找由行星的陰影引起的恆星閃爍。
行星每繞每恆星運行一次，就會從它的恆星的圓盤前面經過一次，造成一個小型的日食，恆星的光線會暫時變暗一點。
科學家發現了一顆附近的紅矮星變暗，距離地球只有40光年。
這是望遠鏡探測到的第一個外星系統——“trappist-1”恆星系。
在某種意義上“trappist-1”的發現，對科學家們來說是一次巨大的突破，因為科學家們同時發現了七顆系外行星。
“trappist-1”恆星系想象圖
這七顆行星中有適合居住的嗎？
在trappist恆星系的世界里，氣候可能與我們的太陽系一樣，是多種多樣的。最裡面的可能非常熱，甚至可以看到熔岩世界，在更遠的地方，它們可能是冰的世界。
但是中間的行星d、e、f，它們都是主要的候選者。令科學家們興奮的是，有三顆圍繞trappist-1運行的行星位於“宜居帶”。
它們與恆星的距離合適，所以表面應該有液態水。還有一顆行星，作為一顆新地球而引人注目。它的軌道距離它的母恆星只有435萬公里，它就是“trappist-1e”。
trappist-1e的成分表明，它可能有一個相當重要的鐵核，就像地球一樣。這樣那裡就有一個非常強大的磁場，就會和地球一樣，trappist-1e也可以擁有一個保護性的磁場。可以讓能夠剝離大氣層的嚴酷的恆星風和強大的耀斑爆發發生偏轉。
所以磁場是一個好東西，這是一種保護，防止受到所圍繞的恆星邪惡力量的影響。
與比鄰星不同，trappist-1恆星看起來異常安靜。trappist-1實際上是一顆非常古老，非常平靜的恆星。它不會像比鄰星那樣有很多巨大的耀斑。所以這也許是一個更好的恆星系，在那裡尋找一個類地行星，一個地球2.0。
數據表明，trappist-1e可能有廣闊的海洋，保護性的大氣層，和適宜居住的溫度。
但是住在這裡和在地球上完全不一樣，因為trappist-1e恆星系與我們的太陽系非常不同。行星離恆星更近，因為它們離得更近，所以它們的軌道更快，也更小。在trappist-1e上，一整年只需要6個地球日。
你能想象你每天都在飛快地撕毀你的日曆嗎？每過6天就是你的生日，每過6天就是你的結婚紀念日。一年連一個星期都不到。
在這個陌生又陌生的世界里，探險家們將目睹前所未見的景象。在很多方面，這真的是一種科幻小說中的天空。
在trappist-1e上，你可以抬頭看到天空中的其他行星，就像我們能看到自己的月亮一樣。你可以用肉眼分辨出行星上的陸地等地表特徵。
trappist-1e星球表面想象圖
但是這個星球會不會好得讓人難以置信呢？
別忘了這顆可能適合居住的行星它離它的母恆星非常近，當有一個如此壓縮的恆星系時，其他問題就會出現。
其中之一就是潮汐鎖定的可能性。trappist-1e的軌道距離恆星只有幾百萬公里，它的一側很可能永遠對着恆星。
所以你可以想象一種情況：天哪，這是固定的一天，而且很有可能，在恆星的照耀下，整個大地是一片焦土。但在星球另一面，是一個永恆的夜晚。所以在這種情況下，可能就像像冰封的不毛之地。
而trappist-1e的問題變得更加極端，如果有一個永久的晝面和一個永久的夜面，這個星球的夜面會變得非常冷，所有的東西都會凍結，包括大氣層。
trappist-1e的大氣層中的氣體在寒冷夜晚的那一面會凍結成固體冰。而在白天的那一邊會燃燒殆盡，大氣層變薄並最終消失。
所以trappist-1e最終完全不適合居住。即使我們在恆星周圍發現了一顆完美的行星，但恆星的類型和它的軌道位置可能會對這顆行星是否適合居住，產生非常重要的影響，儘管它有明顯的潛力。
尋找真正類地行星的工作仍在繼續。
在trappist-1恆星系中，我們發現了一個非常類似地球的世界，但其所處的軌道與太陽系行星不太相似，所以我們應該尋找的，也許是類地行星周圍有顆類日恆星。
【地球2.0還是金星2.0】
所以要找到地球2.0，也許我們需要先找到太陽2.0。
銀河系——數千億顆恆星的家園。從昏暗、爆炸的紅矮星，到短暫燃燒的巨人。處於中間的是像我們的太陽一樣的恆星。
像我們的太陽這樣的恆星，是平靜而穩定的，壽命也很長。而宜居帶距離行星足夠遠，使得行星避免了潮汐鎖定。
我們更有可能在類太陽恆星周圍的行星上進行殖民。
科學家們正在像我們的太陽一樣的恆星系的可居住帶中尋找行星，而且已經在那裡發現了新世界。
開普勒-452b就是這樣的世界，它是一顆距離我們1800光年的系外行星，圍繞着和我們太陽一樣的恆星運行。
開普勒-452b想象圖
真的找不到比這更像地球的軌道了，一年大約有385天。我們地球是365天。這真的很像地球。
這顆行星圍繞它的恆星運行的距離，與地球圍繞太陽運行的距離大致相同。又是一個非常像地球的地方。
開普勒-452b位於其恆星的宜居帶，所以如果那裡有液態水，就可能有海洋、湖泊、河流、溪流，以及藍天和白雲的日子。聽起來不錯，但是開普勒-452b比地球大得多。
開普勒-452b是地球2.0的候選行星，但它有點像打了類固醇的地球。這個星球比地球的質量大5倍，直徑大約大了60%。
科學家們稱像開普勒-452b這樣的大類地行星為超級地球。超級地球的大小可能是地球的1.5到2倍，質量可能是地球的10倍。
這個超大的類地行星會是我們的第二家園嗎？
開普勒-452b除了其尺寸，其他方面似乎符合我們對地球2.0的許多標準。它圍繞着一顆像太陽一樣的恆星，它正好位於宜居帶的中間。
可是星球的質量與尺寸卻是一個很關鍵的因素。開普勒-452b的大小對它的重力有很大的影響。由於其驚人的質量，其表面的重力大約是我們在地球上感受到的兩倍。
額外的重力會使殖民星球變得困難。你能想象得到的在地球上的任何你不喜歡做的家務事，在這樣的星球上你會更不喜歡它。當垃圾桶的重量是地球上的兩倍時，那就不好玩了。
我們可能會被困在這個星球的表面，如果你要降落在這些超級地球的表面上，你會很容易降落到表面上。但要再上去就非常困難了，離開地球對我們來說已經非常困難了。
想想我們巨大的引擎和火箭，這些不可思議的工程奇迹。我們要把它們發射升空，就需要兩倍的能量才能離開開普勒-452b。
更糟糕的是，開普勒-452b的大氣層被認為與地球的大氣截然不同。在某種意義上，這顆行星的大小以及它的質量將決定它的大氣層是什麼樣的。
如果有很大的質量和很大的重力，星球就可以抓住很多空氣，大氣層更大、更厚，密度更大，表面壓力也更大。
厚厚的大氣層可以吸收恆星的熱量，星球表面的溫度將變得非常高。除此之外，還有巨大的大氣壓力。
所以有可能這顆行星的大氣層非常厚，導致溫室效應失控。隨着時間的推移，星球變得越來越熱，也許科學家們發現的不是地球2.0，而是金星2.0。
超級地球可能有一個很吸引人的名字，但它們強烈的重力會讓我們難以生存，而且我們也無法在厚厚的大氣層中生存。
到目前為止，我們發現的所有行星都不適合居住。
【有適合居住的衛星嗎？】
但是，誰說地球2.0一定要是行星呢？
我們生活的宇宙從某種角度上講，其實是一個宇宙射擊場，每天都有行星死亡。像我們這樣的備用行星真的是太難找到了，我們是不是找錯了地方？
有科學家認為地球2.0很有可能本身並不是一顆行星，而是一顆巨大行星的衛星。
關於系外衛星，令人興奮的是它們可能適合居住。這點在科幻作品中經常出現，比如在《星球大戰》中，反抗軍的基地就是在一顆衛星上。
2017年，開普勒望遠鏡在8000光年外掃描到了一顆類日恆星。
大衛·基平教授和他的團隊觀測到了正在凌星的系外行星——開普勒-1625b。
開普勒望遠鏡
開普勒-1625是開普勒發現的成千上萬顆行星中的一顆。這顆行星並沒有什麼特異之處，它是一顆像木星一樣不適合居住的巨大氣體行星，距離它的恆星比較遠，顯然是在一個接近圓形的軌道上。
但它處於宜居帶，像木星這樣的巨大氣體行星，肯定會有衛星。這意味着它的衛星也會處於宜居帶。
不幸的是，這些系外衛星非常難以觀測，開普勒發現系外行星的方式確實與行星的大小有關。而對於衛星來說，它要困難得多，因為它更小所以更難探測。
太陽系中最大的衛星是木星周圍的木衛三，它大約是地球體積的40%。科學家們很少能探測到這麼小的星球。所以，尋找系外衛星將是非常非常具有挑戰性的。
2018年，團隊招募了強大的哈勃太空望遠鏡，並利用這些數據來尋找任何衛星的微小輪廓。
哈勃太空望遠鏡
如果有一顆系外衛星繞着一顆行星運行，那麼它有時會在行星凌星時走在前面，有時它會在行星凌星時走在後面。
在凌星的時候，會在不同的地方看到一個小凸起。這個團隊探測到了信號——不是一個，而是兩個一起繞軌道運行的物體。
這證實了迄今為止發現的第一顆系外衛星。
然而通過進一步研究，科學家們發現儘管這顆行星和這顆衛星與恆星之間的距離可能是正確的，但這顆衛星和這顆行星都很可能是沒有固體表面的氣態星球。
關於這顆衛星的詳情請見筆者之前的科普文《千奇百怪的外星世界（下）》
雖然這個衛星可能還不適合居住，但這是科學家們在銀河系中尋找像我們一樣的世界的重要一步。如果在系外行星周圍發現系外衛星，這可能會極大地增加那裡的宜居世界的數量。
科學家們只需要更精確的測量，然後突然之間宇宙就會充滿系外衛星。
但是這些世界需要的不僅僅是看起來像地球。當科學家們在其他恆星周圍發現類地行星時，每個人都很興奮。
但“類地”只是指它有多大，以及它與恆星的關係中是否能支持液態水。所有這些都很好，但還不夠。一顆行星的組成可能決定我們的新家園的成敗……這是完美世界和定時炸彈的區別。
【真正的地球2.0的標準】
對地球2.0的探索仍在繼續，科學家們需要考慮的標準有：一顆類太陽的恆星；一個溫度適宜的軌道；一個固體表面以及一個能夠保留大氣層的星球。
但是一顆表面看起來像地球的行星，內部可能並不像地球。使我們的世界如此獨特的原因之一是它的板塊構造。它實際上調節着我們的氣候。
地球的氣候取決於物質的循環，比如二氧化碳和水。分子通過活躍的板塊構造和火山爆發在地球熔融的內部和表面之間移動。這些循環有助於調節地球大氣的溫度和成分。
如果我們在那裡發現另一個類地行星，而且它有地質活動，這意味着至少它有辦法維持碳循環，以及所有這些讓這個星球適合居住和可持續發展的自然現象。
科學家們怎麼知道行星內部發生了什麼？
其實可以在世界各地的山脈中找到線索。地球上這些地形特徵表明這顆行星是活着的，而且在它的表面下仍有進程在發生。
山脈是在行星的構造板塊碰撞時形成的，即使系外行星離我們有好幾光年遠，天文學家也能計算出它們的表面是平滑的還是布滿了山峰。
如果星球的山脈伸出來了，根據行星的旋轉位置，行星會顯得稍微大一點或稍微小一點，這取決於所投射的剪影。
這些光線上的微小變化可能是系外行星健康和活躍的跡象。但只有當行星在其恆星前面時，科學家們才能使用這種方法。
如果天文學家可以利用星光本身來確定行星的地質情況呢？
科學家們認為行星形成的時間和恆星形成的時間大致相同。它們都是由同樣巨大的物質雲團形成的。所以如果你測量一顆恆星的組成，那麼取這些值並假設它們在某種程度上與行星相似似乎是合理的。
天文學家可以計算出恆星中存在的化學元素，然後把它的光分成不同的波長，任何圍繞這顆恆星的行星都有相似的化學成分。實際上組成成分是它是否適合居住的一個非常重要的部分，真正的成分是它的地質。
岩石系外行星的化學元素都是由相同的基本成分組成——比如氧，硅和鋁。改變成分的平衡就會得到非常不同的行星。
如果我們對岩質行星的組成有一些了解，那麼就可以利用它來提供線索判斷一個世界是否存在板塊構造。
新的研究表明，含有過多硅和鈉的系外行星形成的岩石類型與地球上的是不同的。形成的行星比較堅硬，在那裡板塊結構停滯，二氧化碳積累，會造成毀滅性的後果。
沒有活躍的地質活動，那麼星球最終可能會形成一個威尼斯式的大氣層。這意味着溫室效應失控，天氣變得越來越熱，氣體從岩石中被烤出來，沒有辦法把控制住它們。這對生命來說根本不是一個好地方。
更糟的是，星球變成了一個高壓鍋，就等着爆炸了。
如果我們改變一顆行星的組成，它就會影響它的構造系統。這完全改變了行星散熱的方式，而熱量會不斷地積聚，然後可能會發生災難性的地殼翻轉。
星球的固體星殼崩塌了，岩漿的海洋沸騰起來，溫室氣體使地表沸騰……於是一個潛在的新家園終結了。
顯然，科學家們需要知道這些行星的組成，然後才能開始聲明這些行星是否真的適合居住。
但是星球還需要一些東西像地球一樣一個無形的盾牌保護它，免受太空的威脅，提供溫暖和生命所需的水——大氣層。
尋找地球2.0已經找到了很多行星，但要想找到一個像地球一樣的行星，它必須要打很多的勾。
如果你真的在尋找地球2.0，那麼你就必須找到一顆和地球的質量和大小相同的行星，圍繞着一顆類日恆星運行，距離也差不多，有類似的大氣層，還有大量的液態的地表水。
在所有的要求中，系外行星的大氣層是至關重要的。它能保護星球免受巨大的溫度波動；能保護星球免受小行星撞擊；能保護星球免受來自太空和恆星的危險輻射。
大氣層幾乎是環繞星球的盾牌，保護我們免受外太空的傷害。但也必須要有合適的範圍，如果弄錯了，這顆行星的表面可能會有破碎，或有沸騰的表面環境。
看看我們自己的太陽系，太陽的宜居帶包括三個不同的行星：金星、地球和火星。但火星的大氣層很薄也太冷了；金星的大氣層太厚，也太熱了。我們是唯一一個剛好合適的星球。
到目前為止，天文學家們大部分都在猜測這些系外行星是否有大氣層。因為要直尋找它們，尋找類地行星周圍的類地大氣層，是非常困難的。
所以為了能夠在恆星的強光下，觀察這些大氣的細節，需要非常精確的技術和精確的測量。
天文學家通過觀察恆星前面經過的行星來探測大氣。當一小部分光照射在行星的邊緣並穿過大氣層，大氣層中水、氫和二氧化碳等分子會吸收來自恆星的特定波長的光。如果能看到恆星的光穿過行星，也許就能推斷出一些信息，關於它是否有大氣層？大氣層的性質是什麼？有多熱？它是由什麼構成的？
這就是科學家們如何能夠確定大氣層中的物質，表明星球是否適合生命生存的方法。
到目前為止，科學家們還沒有看到任何有我們可以居住的大氣層的系外行星。
【詹姆斯韋布太空望遠鏡】
但也許就要找到了，因為哈勃太空望遠鏡的繼任者詹姆斯韋布太空望遠鏡已經開始工作了。
詹姆斯韋布太空望遠鏡，比哈勃望遠鏡強大七倍，它應該能讓科學家們看到銀河系中行星的大氣層，並成為最終找到第二個地球的工具。
詹姆斯韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope，縮寫JWST）是美國航空航天局、歐洲航天局和加拿大航空航天局聯合研發的紅外線觀測用太空望遠鏡，於2021年12月25日20時15分發射升空。2022年7月中旬，詹姆斯·韋布空間望遠鏡正式開工，並拍攝了第一批用於科學研究的照片。
關於這個望遠鏡曲折的故事，筆者在此不再多說了，想知道的讀者可以問一下度娘。
科學家們要在這些大氣中尋找的關鍵數據，是在電磁波譜的紅外線部分。這是韋布設計工作的方式。
詹姆斯韋布太空望遠鏡的一個非常重要的任務就是幫助科學家們尋找可能的類地行星。
科學家們仍在尋找那個完美的地球孿生兄弟，每一天，都在接近找到它。
現代天文學發展進步迅速。30年前，科學家們沒有發現系外行星，今天，我們已經知道了成千上萬個。
通過下一代的儀器，科學家們將發現成千上萬，數十萬，甚至上百萬的系外行星。所有這些都以離開地球為最終目標，讓一種文明傳播到了各個星球。
科學家們正在努力探索地球，探索我們的太陽系，甚至銀河系，科學家們將在很長一段時間內了解那些行星。人類的旅程才剛剛開始。
最後放一張詹姆斯韋布太空望遠鏡的圖片