Kepler-452b真的是「地球2.0」？

2015/07/25 |

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Credits: NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

外太空雖然仍舊寂靜，但最近針對眾多的討論讓它顯得熱鬧非凡。新視野號在2015/7/14掠過冥王星，並不斷回傳讓人驚奇的影像和資料；與此同時，另一棚的克卜勒太空望遠鏡（Kepler）也發現了目前為止跟地球最相像的行星：Kepler-452b。

NASA在2015/7/23公布了這令人興奮的消息：雖然大家都以「地球2.0」稱呼這個令人興奮不已的發現，但在此之前我們不是已經用了很多像是「地球級系外行星」、「超級地球」、「最像地球的行星」等名詞，來形容過去發現的眾多在適居帶（habitable zone）的行星嗎？這次的發現真的有特別不一樣？難道我們之前的誓言都只是兒戲嗎？（女主角梨花帶淚模式on）

找系外行星嗎？你需要克卜勒之眼

美國太空總署（NASA）設計的克卜勒太空望遠鏡於2009年發射，運行的是尾隨地球的日心軌道，這樣克卜勒太空望遠鏡的觀測就不會被地球影響。它的任務是找尋環繞其他恆星的類地行星。克卜勒太空望遠鏡長期檢測15萬顆以上恆星的亮度，觀察它們是否有行星凌日現象：如果有一顆恆星的亮度會週期性的稍微變暗，又在不久以後恢復，就表示可能有行星繞行這個恆星，才發生掩星現象。

不過，還有其他原因會導致亮度的細微波動，例如有些恆星本身亮度就變化很大，所以所有的克卜勒所發現的候選行星都必須加上其他觀察，進一步分析收集到的資料。「確認是非常耗時的。」在加州山景城SETI研究所的克卜勒研究科學家考夫林（Eff Coughlin）說。因此克卜勒團隊將確認過程自動化，結果發現小岩石（small rocky planets）行星是目前名單中最常見的行星類別，多達25%。

source：Wikipedia

2013年5月，由於克卜勒的反應輪故障（這又是一段很長的故事了），無法設定望遠鏡方向而暫停搜尋系外行星的任務。不過2014年就以雙輪模式復活，這個稱為K2的計畫裡也有些進展，找到了鄰近恆星系有3顆與地球相當的系外行星。而這次的Kepler-452b則是在過去的克卜勒計畫中羅列的500顆候選行星中發現的。克卜勒太空望遠鏡每30分鐘收集一次資料，要有3次凌日記錄才會被加入候選名單。截至2015年1月為止，克卜勒太空望遠鏡已在440個恆星系統中發現了1013個系外行星（exoplanet），需要進一步確認的候選名單（candidate list）還多達3,199個。

除了找到系外行星，還有另外一個人類更關心的事：適不適合居住？

安安，你聽過適居帶嗎？

過去有分析研究推測，在銀河系中調查過的類日恆星中，大約有五分之一的恆星會有在適居帶（habitable zone）上繞行的行星，適居行星撒遍銀河系啊。我們對適居帶的想像，其實仍奠基在地球的條件之上，所以有一個很重要的原則：行星表面必須維持有液態水。（奇怪耶你，找外星生命一定要先找水嗎？）

因此這個類地行星距離它的母恆星不能太近也不能太遠：一方面是為了有適宜的溫度，另外一方面，剛好不會太熱或太冷的距離，行星表面才有可能有液態水，而不是水蒸氣或是冰。聽起來條件嚴苛（適居帶有時也被稱為「古迪洛克區（Goldilocks Zone）」因為童話古迪洛克當中的小女孩喜歡吃不冷又不熱的粥，真是難伺候啊），但其實這條帶可寬可窄：能離母恆星多近，其實是要取決於恆星的大小和能量輸出。對於比較小的恆星，像是紅矮星，適居帶可能會像是圍著火爐烤棉花糖一樣靠近。但對於巨大且炙熱的恆星，這條帶就必須退到安全距離外。

有方程式可以計算適居帶和恆星之間的距離，主要的依據是利用恆星的光度。但這個方法用來算太陽系的適居帶其實就不太靈光了：例如，金星在適居帶內緣附近，但他表面濃厚的二氧化碳大氣層讓它表面高達462 °C，根本就沒辦法住人。所以儘管有公式，適居帶仍然要依星系而制宜，也不是在適居帶上的行星都能適居。

深綠色代表狹義太陽系適居帶，淺綠色代表廣義太陽系適居帶。souce：wiki

另外一個要維持表面有液態水的條件是行星質量。質量跟重力有關，地球的質量剛剛好，不會小到重力太微弱而無法抓住大氣，讓氣壓太低而水無法存在於行星表面；同時也不會重力大到讓氣壓過高，以至於液態水無法形成。

但關於適居帶也有些批評，認為太過地球本位主義，自會有出路的生命搞不好在其他看似嚴苛的環境下也能生存。（其實在地球也不乏一些極端的例子，像是地表下十公里，極高溫或是厭氧環境都還是有生物。）

Kepler 452b啊，是什麼讓你如此特別

到目前為止，有大約十幾個在適居帶上接近地球大小（體積約是地球的1/2~2倍）的行星被發現，光是Kepler就發現了12個在適居帶上的小行星。那Kepler-452b到底有什麼特別？

Kepler-452星系與太陽系、Kepler-186星系的比較。（綠色的部分為適居帶）Credits: NASA/JPL-CalTech/R. Hurt

Kepler-452b距離地球有1400光年遠，他的一年是384.84天，直徑是地球的1.6倍。測量不會包括任何有關質量的資訊，但是從相似的系外行星判斷，研究團隊推估他的質量是地球的5倍，所以任何的到那裡造訪的旅客都會感受到在地球的兩倍重力，地心引力更抓得住你。團隊諮詢了行星地質學家，他們推測Kepler-452b可能經歷過一段火山活躍期，它的高質量給了它一個比地球還要濃的大氣層。

但讓Kepler-452b特別不同的，還有它繞行的母恆星。Kepler-452b的母恆星年齡比太陽大15億歲，亮度多了10%，質量也多了4%，但軌道與恆星的距離也較地球與太陽遠 5%，所以Kepler-452b剛好在它星系的適居帶內，但也有可能會經歷失控的溫室效應，類似現在被烘烤的金星。而且，它和太陽同樣都是G型恆星。（為了避免恆星分類就要講上一整天，詳細的分類法可以參考這裡。）

過去克卜勒太空望遠鏡發現的12顆在適居帶上的系外行星。

克卜勒太空望遠鏡之前發現的12個在適居帶上的行星，有四個是圍繞著質量和光度都比太陽還小的M型恆星、七個是繞著稍微和太陽比較接近的K型恆星（恆星分類以光譜標示，依據恆星的溫度由高至低排序（質量、半徑和亮度皆與太陽比較）分別是：Oh! Be A Fine Girl Kiss Me），而Kepler-452b是第一個繞著G型恆星的。

那過去說的一切，通通不算數了嗎（泣）

如果跟天文界有保持聯絡的話，你會想起：過去不是也發現了很多跟地球很像的行星嗎？

在Kepler-452b出現之前，被稱為「地球最像行星」的是Kepler-186f，它在2014/4宣布發現，距離我們約500光年，比地球大不到10%且位在適居帶，所以表面也有可能水汪汪。不過他圍饒著的恆星是跟太陽比起來質量較小、溫度較低的紅矮星，Kepler-186f又在適居帶的外側所以上面會涼爽一些，Kepler-186f的中午感覺就像地球日落前一小時的黃昏，而且只要130天就可以過年了。

Kepler-186星系與太陽系的比較。（綠色的部分為適居帶）

在Kepler-186f之前（是一個在點名前任情人的概念？），最類似地球的系外行星是Kepler-62f。但它其實算是超級地球，因為它比地球大了約40％，公轉週期為267天，母恆星也比太陽還要小、溫度也比較低，距離我們1,200光年，位在天琴座的方向。和Kepler-162f在2013/4同時期宣布發現的，還有Kepler-69C。

Kepler-62星系與太陽系的比較。（綠色的部分為適居帶）

Kepler-69c更是個超級地球，他比地球大了70％，公轉週期為242天，它的母恆星和地球較為相近，大小差不多，光能量大約是太陽的80％（意味著溫度可能差不多。），行星系統距離我們2,700光年遠，位在天鵝座的方向。

Kepler-186星系與太陽系的比較。（綠色的部分為適居帶）

還有於2011/12公佈，克卜勒太空望遠鏡上工第三天就找的Kepler-22b。這是人類首度在類太陽恆星旁的適居帶中間發現的超級地球，它約是地球的2.4倍大，距離我們600光年遠，公轉290天，母恆星射出的光能量比太陽少25％。

Kepler-22星系與太陽系的比較。（綠色的部分為適居帶）

其他不勝枚舉的還有Gliese 667Cc、Gliese 581g（在2010/9公佈時也被稱為「發現至今與地球最類似的系外行星」）、EPIC 201367065的行星…等等等等等。

從左至右：Kepler-22b、Kepler-69c、這次的主角Kepler-452b、Kepler-62f、Kepler-186f，最右邊的是地球。

扣除掉Kepler-452b略大的尺寸和其他一些仍太不確定的因素，它確實是個令人非常興奮的發現–這是到目前為止我們找最接近地球的系外行星了。我們對於「第二個地球」抱有很多的懷想：移民、外星生命、藉此探索地球和生命的起源……；相信Kepler-452b不會是這趟追尋之旅的終點，「地球2.0」或許過不了多久又會換人當了。

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