无论是天文学家还是普通人，当我们眺望浩瀚的星空的时候，每个人的心里都不免有这样一种感觉：宇宙太宏大了，相比之下人类和地球太渺小了。在这茫茫太空之中，有没有其他的生命存在？一个天文学家，无论他的研究方向是什么，也无论是给大学生们上公共选修课，还是给中小学生或者公众做科普报告，这个问题都是最常被问到的。在国家天文台制订的创新2020计划中，提出了“两暗一黑三起源”（暗物质、暗能量、黑洞、宇宙起源、天体起源、生命起源）的口号。对这个提法，也有一些不同意见，特别是对于其中的“生命起源”，有些人认为应该是生命科学的事，天文学把它作为研究目标，好象有点侵占了别人的地盘。但是我始终觉得，这个口号是非常正确和精炼的，确实很好地概况了现代天文学的研究热点。现在生命科学所研究的生命起源，主要还是针对地球上的生命，而天文学所研究的，则是在宇宙中的生命起源问题，这已经是现代天文学中一个非常重要也很活跃的方向。

虽然人们曾一度想象火星上可能存在生命，但迄今为止，无论在火星还是在太阳系除了地球以外的其它天体上，人们都还没有找到过生命。那么，太阳系以外呢？很多人可能都看过科幻电影《接触》（Contact)，里面由朱迪福斯特扮演的女主人公试图用射电望远镜寻找外星人发来的无线电信号，长期坚持并最终取得了成功。这种外星智慧生命搜寻(Search for extraterrestrial intelligence, SETI)虽然也是一种寻找外星生命的办法，但是和电影中戏剧性的突然发现不同，在现实中这种搜寻长期没有结果。我们需要的是一种更为可行的研究方式。因此，天文学家们把主要研究目标锁定在寻找太阳系外的行星特别是那些适合生命存在的行星上。

尽管自布鲁诺的时代起人们就猜想其它的恒星周围也象太阳一样分布着行星，但是要真正从观测上找到这些行星是件很困难的事。行星本身不发光，因此很难被直接看到。直到1992年，人们才首次发现了围绕一颗脉冲星转动的行星，1995年才首次发现了围绕一颗普通恒星（主序星）转动的行星。不过，此后，太阳系外行星（以下简称系外行星）的数量迅速增长。到目前为止，已发现了778个系外行星（还有很多待证实的候选者）。

按大小画出的所有已知的行星，中心左上的小框内是太阳系的行星。这个图如果不放大，在那个太阳系的小框内只能看见四个圆，两个黄色的较大的圆代表木星和土星，两个较小的蓝色圆表示天王星和海王星

一开始人们发现系外行星，主要是依靠所谓“径向速度法”。恒星的引力导致行星围绕恒星转动，反之，行星的引力也会导致恒星围绕系统的质心转动，因此原则上如果能观测到这种运动，就可以发现行星的存在。不过，这种转动很微弱，要看到行星导致的恒星位置移动很困难。好在，人们可以非常精确地观测恒星的光谱，并利用多普勒效应发现恒星沿着我们视线方向运动速度的微小变化。这种径向速度的周期性变化就揭示出可能存在的行星。使用这种手段发现的行星，都是那些质量很大、离中心恒星距离比较近的行星，因为这样的行星对恒星的引力扰动最大。

在我们的太阳系中，离太阳比较近的四颗行星（水星、金星、地球和火星）质量都比较小且主要由岩石组成。离太阳比较远的，则是木星、土星、天王星、海王星这些质量巨大（比如，木星的质量大约是地球的318倍,天王星的质量也有地球的14.5倍）且主要由氢和氦组成的巨行星，它们离太阳远，因此公转周期也比较长（比如木星的公转周期大约为十二年）。但是，用径向速度法发现的行星，则有很多是所谓“热木星”，也就是说，这些系外行星质量巨大，有些超过木星，而且离它们的中心恒星距离很近，有的公转周期只有一、二天，这与太阳系的情况有极大的不同。这样的系统是如何形成的，为什么它们与太阳系如此不同，这些都是理论上非常有意思的课题，限于篇幅这里不去说了。但是，从寻找地外生命的角度来说，这些系统的价值不大：且不说在以氢和氦为主的巨行星内是否能产生生命，单说这些行星由于距离恒星很近而具有非常高的温度，就让人对在上面存在生命感到难以乐观。

以我们现在对生命的理解，液态的水在生命中扮演着极为重要的角色。能够存在生命的行星，既不能离中心恒星太近，因为那样会太热而导致水沸腾汽化，也不能离中心恒星太远，那样会太冷而导致水结冰。当然，由于大气气压的不同，在行星上水的沸点和冰点可能与地球上有所不同，但是也不会差得太远。而行星的温度在很大程度上取决于到中心恒星的距离。因此，恒星周围那些适合生命存在的距离范围，被称为宜居带(habitable zone)。处在这些区域内且质量接近地球的行星，是最有可能存在生命的行星。

有些勤于思考的读者可能会说，宇宙中的生命未必都和地球上的类似，也许还存在其它类型的生命，比如，不以水而以沸点和冰点都更低的碳氢化合物为体液的生命，或者以硅而不是碳元素化合物为基础的生命，等等。这样的生命所需要的温度和其它条件当然可以与我们熟悉的地球生命大不相同。这种可能性是存在的，但毕竟是没有任何证据的猜测，而且由于缺乏具体的例子，不确定性太大而很难研究。碳基的、以水为体液的生命是有地球生命这个例证的，因此现在的研究主要集中在适合这种我们所熟悉的生命形式上。

开普勒卫星观测的天区，主要位于天鹅座中（也包括天琴和天龙的一部分），离织女星也不远

近年来人们使用凌星法找到了很多行星，其中不少是在宜居带内。所谓凌星，是指行星从恒星前经过而挡住一部分恒星的光，这样恒星的亮度会略微减弱。如果我们长期以高精度监视恒星的亮度，就会发现这样行星。当然，凌星发生的条件是，地球与恒星的连线恰好在这些行星的轨道面上，显然大部分系外行星的轨道面并不满足这一条件。不过，我们总还是有可能幸运地凑巧观测到一小部分系外行星。这次IAU大会上，有一个分会是专门关于这类宜居行星的。由于研究领域不同，我只听了这个分会一个面向大会的报告，这是由NASA Ames 研究中心的Natalie Batalha博士做的开普勒卫星发现的行星系统的报告。开普勒卫星是美国于2009年发射的一颗天文卫星，专门“盯着”天鹅座的一小块天空中的恒星，通过凌星法寻找行星。现在经过几年观测，已经找到了一些宜居带内的类地行星。目前这些行星大部分还是所谓的“超地球”（super-Earth, 指质量明显大于地球但小于巨行星的行星）。当然，这并不奇怪，因为行星越大，就越容易被发现，而比较小的行星则不容易被发现（严格地说，开普勒卫星通过凌星法发现的行星只能测出其轨道和几何大小而无法测出质量，不过由岩石组成的行星密度都差不多，因此越大的行星可能其质量也越大），不过，开普勒已经发现了一些有待证实的候选行星，其大小可能与地球差不多，而且有的位于宜居带内，因此在它们上面也有可能存在生命。下面的两个图，以类似化学元素周期表的形式，画出了这些已知和候选的系外行星。

 

已知的778个系外行星“周期表”，按照质量（横轴）和估计的温度（纵轴）画出分类已知行星的个数，中心绿框内的是质量较大的、宜居带内的类地行星，生命有可能存在。

 

在已发现的这些系外行星中，有一些就象我们太阳系一样，是几个行星在一个系统内。当然，那些现在还只发现了一个行星的系统也很可能有更多的行星，只不过还没被发现而已。Natalie Batalha博士也专门提到了一位中国青年学者谢基伟博士（南京大学／多伦多大学）用一种新的方法处理开普勒数据，找到了若干新的系统。

2321个开普勒系外行星候选者的“周期表”

 

在这次IAU会议期间，NASA 还进行了一个新闻发布（有关的新闻报导请参见 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/8/268783.shtm），圣地亚哥州立大学的李威龙副教授(William Welsh， 这个中文译名是他自己提供的)和Batalha 博士也同时在IAU会议上举行了新闻发布。由Orosz 博士等人组成的团队发现了一个双星系统开普勒-47中的处于宜居带内的多行星系统（目前已发现两个行星）。喜爱科幻的读者，也许会想起《星球大战》中天行者（Skywalker）居住的那个有两个太阳的塔图尼(Tatooine) 星球， 或者《三体》中的三体人星系（不过《三体》说那个系统是半人马座的）。

《星球大战》剧照

最后，感谢Natalie Batalha 博士提供她报告中的图片。

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