雷淼

由中国科学院云南天文台研究员顾盛宏领衔的国际联合研究团队首次利用凌星中间时刻变化反演技术，在类太阳恒星的宜居带内发现一颗质量约为地球10倍的超级地球——开普勒-725c。国际著名科学期刊《自然-天文》（Nature Astronomy）近日发表了这一突破性成果。那么，这颗超级地球是怎样被发现的？寻找系外行星有哪些主流技术？科学家热衷探索的超级地球，对天文学或行星科学究竟有何意义？

左：超级地球开普勒-725c示意图

右：类太阳恒星开普勒-725示意图

下：地球

1 开辟发现“地球2.0”的新通道

据新闻报道，由中国科学院云南天文台、德国汉堡天文台、西交利物浦大学和中国科学院南京天文光学技术研究所组成的国际联合研究团队，首次利用凌星中间时刻变化（Transit Timing Variation，缩写TTV）方法，在一颗类太阳恒星的宜居带内发现了超级地球开普勒-725c。

这项发现是从开普勒空间望远镜的观测数据中发掘出来的。开普勒空间望远镜是系外行星探测史上的传奇，在已经确认的近6000颗系外行星中，源自开普勒观测数据的就有3300多颗。在它的“家族”里，还有成千上万的候选者有待检视。

编号开普勒-725的这颗类太阳恒星距离地球大约2472光年，科学家从其光谱得知，它与太阳相似，也是G型黄矮星，只比太阳略轻5%。早在2016年，人们通过分析开普勒空间望远镜的观测数据，已经知道这颗类太阳恒星有一颗行星，编号为开普勒-725b（太阳系外行星编号规则是“主星加小写字母”，字母从b计起），其大小和木星差不多，平均每39.643天围绕主星转一圈。

说“平均”是有理由的：云南天文台领衔的研究团队通过深挖原始数据发现，开普勒-725b的公转不太准时，最早的“提前”和最晚的“迟到”可相差0.012天（17分钟以上）。研究团队认为，还有一颗行星干扰了开普勒-725b的运行，最终他们通过凌星中间时刻变化反演，计算出这颗隐身行星的质量和轨道参数，并将其编号为开普勒-725c。

开普勒-725c的质量约为9.7个地球，每207.5天围绕主星转一圈。它的轨道半长轴（可视为与主星的平均距离）是0.674个日地距离，接受的平均辐照是地球的1.4倍，具备生命存在的条件。稍微美中不足的是，它的公转轨道比较扁，偏心率达0.436，就是说，它绕着主星转的时候，相当于在地球轨道和水星轨道之间来回穿梭，“寒暑”切换相当剧烈。

此次开普勒-725c受到极大关注，缘于这是使用凌星中间时刻变化法发现的首颗潜在宜居的超级地球。而且迄今为止，在已知类太阳恒星宜居带运行的超级地球中，它是唯一测得质量的。这项研究开辟了在类太阳恒星宜居带内发现地球2.0的新通道，是具有国际领先意义的一大突破。

2 五大主流技术支持行星“找寻”

天上的星星都十分遥远，就连离地球最近的比邻星，光线都要走4年多才能到达。距离越远，星光越暗，许多恒星用超级强大的望远镜才能看到，那么它们周围这些自身不发光的系外行星，又是如何被发现的呢？

目前，科学家主要使用5种方法寻找系外行星。

1.视向速度法 我们常说“行星围着恒星转”，实际上，恒星并不是一动不动地稳坐中间，而是被行星拉扯着晃来晃去，围着一个共同质心转。太阳系的“巨无霸”木星和太阳的共同质心就在太阳体外47300公里的地方，它们都围着这个共同质心转。这就好比链球运动员发力的时候，链球在空中转大圈子，运动员在地面转小圈子。当一颗恒星朝着我们晃过来时，我们会看到它的光谱谱线朝着蓝端移动，反之则朝着红端移动（光源接近我们时，光波会因波长压缩而变得更蓝，远离我们时会因波长拉伸而变得更红）。通过观测谱线的摆动幅度和周期，便可得到恒星在视线方向上的速度和周期，进而推算出造成晃动的那颗行星有多重、多久转一周。恒星光谱非常稳定可靠，且易于观测，所以视向速度法曾是最主流的系外行星探测方法。2012年后，开普勒空间望远镜的数据成果开始大爆发，视向速度法的优势不再那么突出，但它至今依然稳定发挥，在历年的新发现中占据着很高的比例。

2.凌星法 有些行星的轨道和地球对得特别齐，当它围着恒星转的时候，在它的每一“年”，从地球看来，它都会从恒星面前经过一次，短暂地对恒星造成局部遮挡。在此期间，我们能看到恒星的亮度降低，这种事件就叫“凌星”。其实在太阳系内也有类似的天象，即水星凌日和金星凌日，当凌日发生时，能看到一颗小黑点从日面缓缓划过，不过肉眼体会不到太阳变暗，因为恒星和行星的大小悬殊，这种遮挡只能造成百分之几乃至十万分之几的亮度变化。对于高灵敏度的观测设备来说，一丁点的变化却足以让行星“现身”。如果恒星变暗事件周期性反复出现，就可以确认行星的存在，通过变暗幅度，还可以推测行星的尺寸。前面提到的开普勒空间望远镜探测系外行星，使用的就是凌星法。

3.凌星中间时刻变化法 以开普勒空间望远镜为代表的凌星法虽然发现了一大批系外行星，但也有明显局限。首先，它需要系外行星的轨道和地球精准对齐。以金星为例来体会这一点：仅仅3.4°的轨道夹角，就让我们要等到公元2117年才能看到下一次金星凌日。其次，凌星造成的亮度变化可能还不如恒星自身活动的亮度变化大，所以干扰严重。此次，云南天文台联合研究团队使用的凌星中间时刻变化法，在一定程度上突破了这些限制：对一颗已知行星的公转周期进行计时，就有机会发现其他隐匿的行星。有趣的是，这个方法两个世纪前就在太阳系内成功使用过，那时是因为天王星运行古怪，先加速后又减速，人们怀疑旁边还有一颗大行星，在两星会合前先把天王星朝前扯了一下，会合过后又拖了它的后腿。法国天文学家勒威耶通过计算，预言了这颗未知行星（即海王星）的位置，和实际的观测位置误差还不到1°。

4.微引力透镜法 爱因斯坦的广义相对论指出，在大质量物体周围，时空会发生显著的弯曲，使得走直线的光线看起来像是拐了弯。遥远的星光经过近处的大质量天体周围时，会被该天体轻轻地“拢”一下，就像通过了一面聚光透镜，在光线继续传播的路径上观察，能够看到亮度升高。微引力透镜法利用的就是这个原理，它使用非常遥远的背景恒星作为参考光源，来观察近处的目标恒星。银河系的恒星都在围着银河系中心运动，群星之间彼此会偶然遮挡。当近处的目标恒星从背景恒星前方横过时，由于引力透镜效应，我们能看到一次闪光。如果目标恒星还带着个行星“小弟”，那么行星还会叠加一道较小的闪光。微引力透镜的弱点在于恒星遮掩是个一次性事件，难以像视向速度法或凌星法那样反复观测。

5.直接成像法 原本以为无法看到的行星，也有机会直接进入望远镜的视野，不过条件比较苛刻，需要它足够大或者本身足够热，能够在红外波段发光。这类行星通常是刚刚形成的年轻行星，形成过程中接收了所有吸积物的势能，“憋了一肚子火”，能发出明亮的红外线。当然，行星再热也没有恒星热，还需要采取一些特殊的手段，例如“消零干涉法”，把主星的光辉掩蔽掉，才能看到行星的模样。

3 如何推测系外行星生命状态

当拿到系外行星的基本资料，如体积、质量、轨道参数等时，从中能够推测出哪些信息呢？由于牵涉的知识非常多，主要从地球生命的视角来讨论这个问题。

首先，科学家要看恒星的情况。垂死的红巨星和已死的白矮星、中子星、黑洞就不提了，主要关注的是还在进行氢核聚变的主序星。我们希望它不要太大，因为大质量恒星的核聚变远比小质量恒星高效得多，恒星越大越“败家”，正所谓“巨星不长命，矮星亿万年”。来看壮丽的猎户座，勾勒其轮廓的8颗亮星全都是巨星（每颗相当于8到40个太阳不等），每几百万年就能各自挥霍一个太阳质量，一千万年内会纷纷死去。在这样的恒星身边做行星，可能表面还是熔融岩浆状态时，主星就已经消亡了，生命更无从谈起。

一颗质量小于0.2个太阳的红矮星，寿命可达2万亿年，在它身边做行星，似乎平安得多。但红矮星的温度非常低，行星要想足够宜居，就要努力靠近主星，这样做很容易被主星潮汐锁定：行星永远以一面对着主星，就像月球永远不给地球看背面一样。那么，朝向主星的一面最终会被烤成火焰山，而背向主星的一面被永远冰封，生命或许只能生存在阴阳交界的地方。

接下来，科学家会看行星自身的条件。行星与主星的距离要稳定适中，表面温度不高也不低，最好能覆盖液态水的范围。为什么液态水很重要？一是氢和氧在宇宙中的储量丰富，再加上水分子结构简单，易于合成，使液态水顺理成章地成为宇宙中最丰富的优良溶剂，许多生化反应都可以在其中进行。二是在常见物质中，液态水的比热（物质升高或下降单位温度所吸收或释放的热量）首屈一指，保暖效果一流。三是冰比水的密度低，遇到严寒天气时，冰会漂在水的上方，形成保温层，阻止下方的水继续凝结。

假设行星上有类似地球的生命形式，还可以对它们的生存状态做一些初步推测。比如，行星距离主星较近，温度较高，植物的叶子会非常大，有助于散去多余热量；行星表面重力比地球高得多，生物需要长得短小精悍，肢体比例粗壮，骨质结实，才能抵抗自身的体重；行星表面的大气浓密黏滞，行走的感觉跟在地球上游泳差不多，做天文研究和航天事业可能很艰难，因为浓密的大气层严重阻挡星光，且难以找到足以挣脱行星引力的合适燃料。

4 探索超级地球认识生命起源

截至2025年6月5日，人类已经确认了5917颗系外行星，分属4413个行星系，其中994个行星系拥有多颗行星。浏览这个系外行星目录会发现，其中多数都很古怪：离主星非常近，几天就能绕行一圈；体积或质量超大，顶得上好几个木星；表面温度很高，大气中横飞着熔融的玻璃雨……再看太阳系，真是天堂一般的存在。

其实，“系外行星古怪”是探测方法造成的假象。在遥远的星际探测系外行星，必然先发现那些最能撼动主星、遮挡星光、形成引力透镜、干扰其他行星的极端目标，何况它们还频频“出镜”，在观测设备退役前现身多次。而类似地球这样远远绕着太阳慢慢转的小不点儿，恐怕是最难发现的。

凌星中间时刻变化法的优势在于它在“古怪行星”的基础上继续“开疆拓土”，去发现那些较小的、公转周期更长的“正常”行星。此次，云南天文台领衔研究团队公布的新发现，一方面为探测系外“地球”提供了新途径，使凌星中间时刻变化法成为发现类太阳恒星宜居带中“隐形行星”的有力工具；另一方面，为我国未来的空间天文任务，如中国载人航天工程巡天空间望远镜（CSST）、地球2.0（ET）项目等，提供了新的观测目标和探测技术支持。

科学家热衷于探索系外行星尤其是超级地球，意义何在？是地球快不行了，需要星际移民吗？

当然不是。按照人类已有的科技水平，目前远远做不到星际移民，相比之下，保护地球家园要现实、容易得多。科学家探索系外行星的热情源于多重科学动机和深远人文意义。通过研究系外行星的形成，可以揭示行星系统的普遍规律，进而理解太阳系和地球的起源。系外行星的多样性颠覆了人们对行星系统的传统认知，推动了行星形成理论的修正。寻找潜在宜居星球以及生命活动的痕迹，能够深入理解生命存在的条件、为生命普遍性研究提供样本。探索任务需要高精度光谱仪、空间望远镜、引力波探测等技术手段，同时促进了天文、物理、化学、生物学的交叉研究。

总而言之，“我们孤独吗”这个千古难题，人类会继续思考下去。而发现类太阳恒星宜居带内的类地行星，是关键一步。（作者为中国科普作家协会会员）