前言
30年前，人類所知的世界共有8個：我們的地球，自古以來人們就知道的五大行星，以及在發(fā)明望遠鏡后發(fā)現(xiàn)的另外兩顆行星。那時，天文學家們已經能夠觀測宇宙大爆炸所遺留下來的微弱的輻射波動，卻不知道在太陽系以外的恒星系統(tǒng)里，也有行星的存在。
現(xiàn)在，我們認識到了數(shù)以千計的異星世界。
在本書中，您將走進20個世界，它們每一個都是一顆行星。它們中有些與地球相似，有些卻迥然不同。它們每個都有著自己的故事，那是對它們自身、對其他許多世界都很重要的故事。通過這些故事，我們能看到環(huán)繞其他恒星的各顆行星世界的獨特面貌，了解到發(fā)現(xiàn)和觀測這些世界的一系列技術，回溯影響它們形成的物理過程，探索它們孕育生命的可能性，并展望這些行星最終的歸宿。
在附錄中，您能查閱到這20顆行星世界的具體特性；參考文獻部分詳細羅列了發(fā)現(xiàn)和探索這些行星的精彩研究資料。從中，您也能看到一些從事這些研究工作的杰出科學家的名字。但不要忘記，這些姓名往往僅限于研究團隊的領導者，而所有的天文研究都是建立在許多人工作的基礎之上，這些人包括研究團隊中的伙伴、之前對同一課題進行過研究的其他科學家、建造宇宙觀測設備的工程人員，以及天文臺和大學中難以計數(shù)的工作人員從望遠鏡操作員到行政人員再到清潔工。
我希望，本書能讓讀者了解我們是如何觀測和探索行星的。科學不是魔法，不是某種量子理論和廣義相對論的神秘咒語，只有少數(shù)天賦異稟的巫師才能運用。簡單地說，天文學就是一系列計算方法的集合。它能夠計算出在一顆恒星周圍是否存在著一顆環(huán)繞著它運行的行星；能夠計算出這顆行星的質量究竟有多大；能夠計算出適用于這顆行星大氣的最佳模型。如果本書中有哪些內容令人費解，那一定是因為我沒有將其原理解釋清楚。
最后，我希望本書能幫助讀者對我們紛繁復雜、不斷發(fā)展的天文學知識有一個良好而全面的了解。我也希望本書能引導讀者了解天文學家是如何在不到30年的時間里在系外行星研究領域取得如此巨大進展的。
序：太陽系行星家族
你今晚最好多拿出一條毯子來。
每當夏威夷夜間氣溫要降到20℃以下的時候，電視上的天氣預報員都會加上這么一句建議。這倒是合情合理，因為這個地方總是這樣氣候宜人，以至于夜間新聞居然還有時間進行有關沖浪、火山氣體和水母的播報。
夏威夷的天氣預報描繪了一個適宜人類居住的、穩(wěn)定的，甚至可以說是理想的氣候條件。與寒風怒號的南極平原或烈日炎炎的死亡大峽谷中的荒漠相比，火奴魯魯為人類提供了一個既不太熱（很少高于30℃）也不太冷（偶爾會降到20℃以下）的環(huán)境。對比南極洲沃斯托克湖夜間那刺骨的-81℃，或者加利福尼亞郊外白日酷熱的57℃，夏威夷的溫差真是小得讓人驚訝。夏威夷電視臺的天氣預報員建議多找一條毯子，這放在南極洲的晚上很可能不太夠用。不過，與環(huán)繞其他恒星的形形色色的行星世界相比，那極寒的南極腹地或死亡大峽谷中熾熱的荒漠倒像是一處平靜的世外桃源了。
在一天之內，火奴魯魯?shù)臅円箿夭畲蠹s是10℃，僅僅是近幾百年氣象觀測中所測得的全球氣溫波動范圍的1/14。但與其他行星相比，我們的行星卻是一個安逸而寧靜的住所。在太陽系中，有著坐落在外層軌道的寒冷的冰態(tài)行星，像溫度低至-240℃的冥王星，也有著擁有濃厚大氣、氣溫高達470℃的金星。但是，與我們觀測環(huán)繞其他恒星的行星所得到的數(shù)據(jù)相比，這710℃的溫差卻又顯得微不足道了。在這些太陽系外的行星（或稱為系外行星）上，溫度常常超過1000℃。當前的紀錄保持者是行星KELT-9b，它緊緊圍繞著它那白熾的母星運行，這讓它那烤爐般大氣的溫度達到了4300℃。這些系外行星上的溫差大約相當于地球溫差的30倍。
上文所提到的溫差并不能涵蓋所有種類的行星。有的行星沒有空氣，地表一片荒蕪；有的行星有著令人窒息的有毒大氣；有的行星擁有絳紅色和青藍色的云彩；還有的行星是由鉆石構成的。而在這個世界之外，還有著更多的世界。由于行星在夜空中是移動的，所以許多古代文明都很重視行星。在古代美索不達米亞，行星是慢慢踱過天空的野羊。對古希臘人而言，行星是橫穿蒼穹的游蕩的星，與之相對的是固定的星。事實上，英語中planet（行星）這個單詞，正是來源于古希臘語中的planēfēs一詞游蕩。在漫長的天文史中，教士、占星家，以及歷法的編纂者和維護者們，都對天體進行著觀測和研究。在埃及，天狼星的第一次出現(xiàn)標志著至關重要的尼羅河洪水的開始。當太陽在西方落下，而昴宿星團恰好在東方升起的時候，就標志著夏威夷人的瑪卡希基節(jié)的開始。因此，準確地計算群星的位置對于早期人類文明的農業(yè)、宗教儀式和日常活動都有著非常重要的意義。
要想預測行星穿過夜空的路徑，就必須建立一個宇宙模型。大多數(shù)古希臘思想家所使用的星圖都把地球放在宇宙的中心，太陽和行星圍繞地球旋轉。這種宇宙模型必須營構出一系列復雜的天體運動，才能解釋行星的運動軌跡。而公元前3世紀的古希臘天文學家薩摩斯島的阿里斯塔克斯發(fā)現(xiàn)，如果把太陽放在已知宇宙的中心，那么所得到的宇宙模型就非常符合實際的觀測結果。盡管這種理念在西方世界中幾乎沉睡了千年，但中世紀伊斯蘭世界的天文學家，以及印度喀拉拉邦的天文學院也分別獨立地發(fā)展出了同樣的觀點。阿里斯塔克斯還提出了其他更為激進的宇宙觀。在他之前，古希臘哲學中鮮有類似的表達。阿里斯塔克斯指出，那些相對于行星停滯不動的光點，也就是固定不動的星星，其實它們都是和太陽一樣。他的觀點，盡管當時沒有得到人們的廣泛接受，卻是關于恒星與行星屬于物理實體而不是單純的光源這一性質的早期思考。
在公元前1世紀，中國天文學家京房寫道：星月皆陰，具形而晦光。這清楚地表述了行星本身不是光源而是反射陽光的星體這一觀點。在歐洲，亞里士多德以及許多后期繼承他的觀點的宗教人士都認為，月亮和行星是毫無缺點的天體，是完美的球體。直到有人進行了更進一步的觀測后，才證明這種觀點是錯誤的。
伽利略·伽利萊是如此優(yōu)秀，以致人們差一點兩次用《圣經》中加利利人的典故來作為他的名字。他是第一個發(fā)表了關于太陽、月亮和行星的望遠鏡觀測結果，并獲得廣泛認同的人。他對這些天體的觀測推翻了太陽和月亮是完美造物的觀點。太陽的表面布滿了斑點；月亮的表面則滿是如傷疤般嶙峋的山脈；土星呈現(xiàn)出奇怪的扁平狀，仿佛有兩只把手；還有木星，似乎有4顆星星在圍繞著它旋轉。太陽、月亮、行星，都不是理想化的、完美無缺的天體，而是真實的，甚至是奇怪的物理實體。它們也有著缺陷，有著同我們地球相似的性質。
除了地球之外，在太陽系中還有7個巨大的世界：可以用肉眼直接觀察到的水星、金星、火星、木星和土星，以及通過望遠鏡發(fā)現(xiàn)的天王星和海王星。這些行星可以分為三大類：居于太陽系內層軌道之上，由巖石構成的類地行星（水星、金星、地球和火星）；兩顆巨大的氣態(tài)巨行星（木星和土星）；位于外層軌道的兩顆冰態(tài)巨行星（天王星和海王星）。
內層軌道上的4顆行星似乎各不相同。熾熱的水星、具有濃厚有毒大氣的金星、我們的氣候溫和的地球以及干燥荒蕪的火星。不過，它們都有著一個重要的相似點：它們主要都是由巖石構成的。即，構成這些星球的大多是硅、氧、鐵等重元素。其中后三顆行星都被一層薄薄的大氣層環(huán)繞著。它們的大氣層主要由氮、氧、二氧化碳等較重的氣體組成，而幾乎沒有氫氣和氦氣。這些類地行星的引力相對較弱，使它們難以在大氣層中留住像氫、氦這樣較輕的氣體，但水星是一個例外。我們的中央恒星所迸射出的氫氣和氦氣，作為太陽風的一部分，不斷對水星那極度稀薄的大氣進行補充。
木星和土星是太陽系行星系統(tǒng)中最大的兩顆行星。其中僅木星本身的質量就大于其他7顆行星的質量總和，而這兩顆行星放在一起，就占了太陽系所有行星的總質量的90%以上，這說明這兩顆行星很可能擁有巖核。其中土星的巖核大約相當于地球質量的922倍。在太陽系形成的早期階段，那些被稱為原行星的行星胚胎爭奪著太陽形成后所遺留的氣體和固體物質。這些原行星越大，它們產生的引力就越強，也因此能夠奪得更多的物質。正因為如此，質量更大的土星胚胎和木星胚胎可以把在早期太陽系中的巨量而豐富的氫氣和氦氣拉進它們的懷抱，從而讓它們凌駕于那些質量更小的行星之上。由于它們比類地行星擁有更大的質量，木星和土星能夠憑借它們更強大的引力留住這些更輕的氣體。
在木星大氣的云帶和風暴之下，有著一個奇怪的海洋，這個海洋并不是由水組成的，而是氫氣和氦氣。木星的大氣非常濃厚，沉重地壓向下方的物質，使下方的物質在巨大的壓力下變成了液態(tài)。然而，在這個海洋之下，還存在著另一個氫氦海洋，只是這里的氫、氦呈現(xiàn)為更極端的形態(tài)。在這樣的深度，壓力是如此巨大，導致氫原子失去了它們的電子，從而使海洋表現(xiàn)出液態(tài)金屬的狀態(tài)。你也許以為汞元素是液態(tài)金屬最典型的例子。液態(tài)的金屬氫看起來與汞很像，反射著光，但由于它的黏度比汞低得多，看起來更像是水在流動。
冰態(tài)巨行星是3種大行星中的最后一種，它與氣態(tài)巨行星不同的是，我們尚且無法清楚地解釋這些冰態(tài)巨行星究竟是如何形成的。它們遠離太陽，在那么遠的地方原本很難形成行星。人們推測，它們原本形成的軌道比現(xiàn)在更接近土星和木星，卻被它們那更沉重而貪婪的表親推到了更遠的軌道上。天王星和海王星完全不同于氣態(tài)巨行星或類地行星，它們擁有巖核。但與氣態(tài)巨行星不同的是，它們的巖核沒有足夠的質量，難以吸收早期太陽系中巨量的氫、氦氣體。不過，它們本身所擁有的氫、氦元素也足以成為這兩顆行星大氣中的主要組成成分。在冰態(tài)巨行星的大氣和巖核之間同樣存在著一個中間層。這一層是由一種奇怪的高壓狀態(tài)的水、氨和甲烷共同構成的。這種超離子水既是固體也是液體，并且通常被稱為冰。但它在結構上與我們在地球的冬日所看到的固態(tài)水完全不同。冰態(tài)巨行星中的冰并不是指在天王星和海王星上的水、氨和甲烷的當前狀態(tài)，而是指這些組成成分的來源。在太陽系的早期階段，這兩顆行星在形成初期吞噬了形成于遠離太陽的寒冷地帶的巨量冰態(tài)物質。
圖0-1太陽系家族成員的情況
圖中，行星的大小是按比例呈現(xiàn)的，但實際距離并未按比例呈現(xiàn)。太陽的半徑大約是木星半徑的10倍。
圖0-2太陽系家族成員之間的距離
與真正的太陽相比，圖中的太陽大了20倍。那些代表行星的點并不是按比例縮放的。行星的軌道并不是完美的圓形，而是略呈橢圓形。
我們似乎可以很輕松地歸納太陽系中各大行星的特性：在內層軌道上的巖質行星，主要由氫和氦組成的巨行星，以及擁有大量水，由氫、氦等較輕氣體構成外部大氣層的行星。
意大利畫家卡拉瓦喬的畫作《耶穌被捕》懸掛在愛爾蘭國家美術館。在消失了200年后，人們在1990年重新發(fā)現(xiàn)了這幅畫作。它表現(xiàn)了耶穌基督被加略人猶大出賣，被羅馬士兵逮捕的情景。卡拉瓦喬，這個因謀殺而把自己人生中最后的4年用于逃亡的人，把他自己作為圣彼得的形象畫入這幅畫作之中。作為一名藝術家，卡拉瓦喬以他陰暗的人生和大膽地運用光線刻畫人物而聞名。在這幅畫作中，他就通過這樣的用光來抓住欣賞者的眼睛：一道閃光突出了士兵伸向耶穌脖頸的手臂。不過，這并不是羅馬軍團士兵的手臂，而是一名17世紀士兵的手臂。與其讓這些《圣經》中的反派人物穿上古代的服裝，卡拉瓦喬選擇為耶穌的襲擊者穿上了他自己時代的軍人服裝。在西方藝術中，這種時代錯亂，將當代人物形象代入《圣經》或神話場景之中的做法是非常常見的。
不僅是對歷史的回顧容易受到這種時代錯亂的影響。大約在20世紀初，很多法國畫家創(chuàng)作的畫作，都描繪了他們所幻想的2000年的情景。這些畫作表現(xiàn)了某種蒸汽朋克式的省力裝置，以及那些大膽地展望未來的個人飛行機器。在一些作品中，展現(xiàn)出驚人的預見性。比如，他們所想象的戰(zhàn)車，就有著與現(xiàn)代坦克同樣的功能。在學校，教科書被送進一臺巨大的粉碎機，隨后再通過一個頭戴裝置傳送給學生。這是對我們信息社會的一則相當粗笨的預言。在所有的畫作中，所應用的技術都采用了19世紀末人們所熟悉的形式。沒有計算機、火箭或原子彈，只有傳送帶、螺旋槳和格林機槍。同樣，這些畫家是把自己所熟悉的現(xiàn)在的知識應用到了遙遠的時間框架之中。
當我們在思考宇宙中那些遙遠的角落時，也容易做出同樣的事情，那就是依據(jù)我們所熟悉的知識進行推斷。我們看到我們太陽系中的行星有著某種規(guī)律：巖質行星的軌道靠近恒星，它們繞恒星轉動一圈只需要幾個月到幾年的時間；氣態(tài)巨行星的軌道離恒星遠一些，它們公轉一圈需要幾十年的時間；冰態(tài)巨行星要花費大約100年的時間繞太陽轉動一圈。于是，你會假設在其他行星系中也會存在類似的模式。但人們所發(fā)現(xiàn)的第一顆環(huán)繞類太陽恒星運行的行星，就證明了這些假設真是大錯特錯。
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