寻找第二个地球：系外星球和行星工厂 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

20年前，寻找太阳系以外的行星的工作仅限于科幻小说作家，而现在它是天文学中增长最快的领域之一，迄今为止已经发现了数千颗系外行星，且这个数字还在迅速上升。在过去的十年里，在开普勒太空望远镜发明之后，这些探测才成为可能。这些新发现的世界比小说中的任何东西都更陌生：比木星大的行星，寿命只有一周；两个太阳照亮的天空, 或根本没有太阳；围绕恒星死亡残骸旋转的行星——这种多样性的发现只是一个开始，将来有可能发现一个完整的星系。

《寻找第二个地球：系外星球和行星工厂》就讲述了系外行星以及系外行星围绕系外恒星运行的故事。系外行星是宇宙中最伟大的构造方案之一，它们几乎出现在你所看到的每一颗恒星的周围，本书讨论了这些行星的构成方式、结构和特征，并详细描述了所使用的探测技术，然后着眼于我们熟悉的表面环境和行星大气层，暗示了生命存在的可能。

引  言：盲目的行星搜寻者 / 004

第一部分：工厂地板 / 020

第一章 工厂地板 / 021

第二章 创纪录的组装工程 / 033

第三章 气体的问题 / 048

第四章 空气和海洋 / 060

第二部分：危险的行星 / 080

第五章 不可能的行星 / 081

第六章 我们不正常 / 098

第七章 水、钻石还是岩浆？不为人知的行星菜谱 / 123

第八章 死亡恒星周围的世界 / 149

第九章 双日世界 / 172

第十章 行星犯罪现场 / 201

第十一章 流浪行星 / 223

第三部分：宜居世界 / 238

第十二章 宜居带定义 / 239

第十三章 寻找另一个地球 / 252

第十四章 异星世界 / 267

第十五章 超越宜居带 / 291

第十六章 卫星工厂 / 308

第十七章 寻找生命 / 320

后记：TRAPPIST-1 行星系统 / 330

术语表 / 350

拓展阅读 / 354

伊丽莎白·塔斯克，天体物理学家，专门研究恒星和行星在星系中的形成计算模型。在获得理论物理学位后，她继续在牛津完成博士学位，然后在美国哥伦比亚大学、佛罗里达大学、加拿大麦克马斯特大学进行博士后研究，目前在日本宇宙航空研究开发机构担任副教授。

曾在1999年获得《每日电讯报》青年科学作家奖，为《科学美国人》和《天文》杂志供稿，并在Nautilus、the Conversation和space撰写博客。

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原始行星盘

阿连德陨石告诉我们地球诞生的大致时间，但是当时具体发生了什么却是一个更大的谜团。碳质球粒陨石所代表的不是一大张清晰的家族合照，而更像是一张远方亲戚的近距离自拍照，照片的一角写着日期，字迹潦草。如果我们不弄清楚孕育了地球的早期环境，我们几乎不可能去估算找到第二个相似世界的可能性大小。

尽管没有清晰的大家族合影让人有些失望，但我们的确知道一项有关故事开端的事实 : 地球诞生于 45.6 亿年前，当时我们的太阳也只是刚刚形成。好在这一与恒星形成之间唯一的关联，也正是我们揭秘行星形成所需要的唯一线索。

从这块原始的陨石形成的时期再向前推移数百万年，我们来到了银河系中最寒冷的区域之一。这里是太阳的孕育之所：一团低温气体云团，这里的温度可以低至惊人的零下 263 摄氏度。这样的低温云团正是银河系中所有恒星的诞生之地。这些低温云团的物质组成绝大部分是氢，其质量可以达到太阳质量的 1 000～100 万倍。由于银河系一直处于运动之中，这些气体云团内部的物质分布不可能是均匀的，而是会形成一个个团块，并逐渐在一些密度较大的气体

团（被称作“核心”）周围聚集。大量物质向一处相对狭小的空间聚集，引力开始迫使其内核发生收缩，增加了该区域的物质密度，从而进一步促进了塌缩过程。随着更多气体物质被吸引，它开始发热，一颗襁褓中的恒星——“原恒星”（protostar）诞生了。

或许此刻的引力可以开始庆祝自己的胜利了，它将物质聚集形成了一颗恒星，但其中起到作用的力并非只有引力。受到银河系自转以及与周遭其他气体云团互动的影响，气体云内部的气体物质也会自转。就像你在公园里乘坐旋转木马时会感觉像要被向外甩出去一样，同样的力会帮助气体物质对抗引力的拉扯。这股额外的力会帮助“核心”附近的气体物质避免落向塌缩的核心的命运。这样的结果便是产生一个类似比萨饼那样的圆盘状结构，恒星的周围开始形成一个转动的气体盘。

随着气体物质逐渐平静下来并开始冷却，尘埃颗粒会在这个气体盘中凝结，就像水汽凝华形成冰粒一样。这些微小颗粒与先前便存在于气体云团中的飞溅尘埃一起，形成了太阳周围最早的一批固体物质。这就是行星形成的最初开端。从这些最微不足道的“建材”开始，旋转中的这座气体与尘埃工厂将会不断吸纳更多、更大的物体加盟。现在，这一结构被称作“原行星盘”。

这种方式听上去似乎太简单了一些，以至于让人有些怀疑。毕竟，如果这是正确的，那么每颗恒星周围都应该会有气体尘埃盘，也就都可以孕育出行星了。宇宙中，行星的形成真的是如此普遍吗？

对于这个问题，有一个简单的测试：在今天年轻的恒星周围可以观察到原行星盘吗？但这里存在的问题是原行星盘不会发光。和中间位置的恒星不同，那里正在急速升温，发光发热，而周围的尘埃盘无法自己发光。不过，尘埃会吸收恒星发出的能量。就像夏日炎炎下，汽车的引擎盖会吸收太阳的能量并变得非常烫手一样。相似的，吸收能量的尘埃盘也会升温变热，并发出能量较低的红外辐射。

人眼对于红外辐射不敏感，但是我们很容易制造出可以探测到红外线的相机。遗憾的是，用于捕捉夜晚盗贼的完美红外相机并不能直接用来对准天空拍摄原行星盘。因为原行星盘尽管被中央位置的恒星所加热，但它的温度仍然比地球上任何地方都要低，以至于相机本身发出的热量都会严重干扰到拍摄。为了克服这一问题，拍摄用的红外波段相机必须被冷却到比这些尘埃云团更加低的温度。雪上加霜的是，地球大气层会强烈吸收红外线。因此，安置这类观测设备的最佳地点是外太空。

在太空环境下，尽管保持低温相对要容易很多，但工作在红外波段的空间望远镜仍然需要额外降温。我们一般会使用液氦作为冷却液，它会通过吸收周围环境中的热量并缓慢蒸发，从而帮助将望远镜的工作温度保持在零下 270 摄氏度左右。而一旦液氦完全耗尽，望远镜则将逐渐升温到零下 244 摄氏度左右。

已经有两台肩负搜寻年轻恒星周围尘埃盘的空间望远镜，分别是红外空间天文台（Infrared Space Observatory）以及斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）。前者是由欧洲空间局（ESA）在 1995 年发射升空的，一直工作到 1998 年液氦冷却液耗尽为止。而斯皮策空间望远镜则属于美国宇航局（NASA）的“四大空间天文台”项目之一。NASA 的“四大空间天文台”具有极高声誉，其中就包括尽人皆知的哈勃空间望远镜。斯皮策空间望远镜于 2003 年发射升空，于 2009 年 5 月宣告冷却液耗尽，但之后在温度升高导致性能降低的条件下继续开展工作。这些项目得到的观测结果是明确的：年龄低于 100 万年的年轻恒星周围全都存在尘埃盘。如果行星的确诞生于这样的尘埃盘中，那么每一颗新生的恒星确实都有能力拥有行星。

除此之外，这些观测工作还揭示了另外一项结果。年轻的恒星周围都存在尘埃盘，但是年龄在 1 000 万年以上的恒星周围只有大约 1% 的恒星拥有类似结构。这样的事实让我们得出一个结论：行星形成是有时间限制的。

有几种办法可以让原行星盘消失，其中最令人兴奋的一种情形当然是：所有尘埃盘的物质都已经变成了行星，许许多多崭新的行星世界诞生了。不幸的是，不管是对我们自己太阳系的观测，还是对已知系外行星系统的观测，都表明最终保留下来的行星的质量大约只有原行星盘质量的 1%。那么，剩余 99% 的质量哪里去了？

另一种可能是：附近的其他恒星对尘埃盘施加了引力影响，将它从其所在的恒星周围剥离。这样的情况偶然发生的确是可能的，但不太可能是普遍事件，不足以导致几乎所有恒星周围的尘埃盘都被破坏的事实，因为恒星之间的距离一般来说毕竟还是相当遥远的。因此，这种破坏作用必定是某种内在机制在起作用，换句话说：是当事恒星和它周围的尘埃盘在自我毁灭。

造成破坏的部分原因是尘埃盘内部物质颗粒之间的摩擦。为了更好地理解这一点，我们可以将尘埃盘想象成环绕恒星周围的层层赛道。跑在内圈的气体会比跑在外圈的气体更快，位置更超前。两者之间产生的摩擦作用会减慢内圈气体的运动，而一旦减速，内圈气体物质对抗引力拉拽的能力就下降了。与内圈气体物质之间的这种摩擦作用会给予外圈气体一种前向拉力，使其速度加快，但它又会与更加外圈的气体物质之间发生摩擦作用，从而被减速。以此类推，随着这种减速效应的传递，气体和尘埃物质将逐渐丧失对抗恒星引力的能力，并最终落向恒星。

这种物质向内流动的机制被称作“吸积作用”（accretion），它必定在尘埃盘的破坏机制中起到了某种作用。但是它同样不能代表完整的答案，因为它发生的过程太过缓慢：要想通过吸积作用清除尘埃盘的外侧部分，需要数亿年的时间才能做到，但观测结果却告诉我们，我们只有大约 1 000 万年的时间去做这件事。更诡异的是，我们几乎很少观测到尘埃盘被破坏到一半的情况，这表明尘埃盘实际被破坏的速度可能还要比这快上 10 倍，并且整个尘埃盘结构是几乎同时被破坏的。最后一项结论带来了一个特殊的问题，因为吸积过程显然应该是从内侧最先发生，所以是逐渐由里向外扩展的。我们现在需要的是第二种作用效果更快的破坏机制，而这种破坏机制得是位于中央的恒星提供的。

就像青少年经历痛苦的青春期一样，从年轻的原恒星转变为一颗成熟的恒星，同样是一个动荡激烈的过程。对于一颗中等质量的恒星，比如我们的太阳，这一“反叛”的阶段被称作“金牛 T 阶段”（T-Tauri phase），以第一颗被观测到正处于这一令人尴尬阶段的恒星——金牛座 T 星的名字命名。就像处于叛逆期的孩子对保护自己的父母恶言相向，金牛座 T 星会发出剧烈的高能辐射，如 X 射线和紫外线，并伴随有由汹涌的高能粒子流组成的星风。当这些辐射和粒子流抵达内侧尘埃盘，尘埃盘将被加热。在靠近恒星的地方，这样的高能轰击的结果是一个非常高温的尘埃盘。但是在更外侧，由于距离较远，恒星引力的作用更弱，额外的向外推力已经足够让那里的一些气体物质和较小的尘埃颗粒发生逃逸。这一机制被称作“光致蒸发”（photoevaporation），这个单词的字面意思非常清楚：由于“光子”（photo）的作用而导致的“蒸发”（evaporation）。科学家们猜想这一机制可能在尘埃盘破坏中发挥了主导作用。在恒星附近，较强的引力作用足以对抗光致蒸发的区域，由吸积作用来完成最后的破坏。

而一旦盘状结构中的气体物质被去除，剩下的主要就是原行星体和其他质量足够大、无法被“吹走”的固态物质了。此时，基本就是行星引力束缚下的大气层了。太阳系中有 4 颗行星的组成中，气体物质占巨大比重，我们由此可以推断当太阳系中的气体物质被吹走之前，这 4 颗行星应该基本上已经形成了。这就给了我们一条时间上的限制：从比沙粒还要小上 10 倍的尘埃颗粒开始聚集，到形成巨大的甚至有朝一日或者会产生生命的行星，所花费的时间应该不会超过 1 000 万年。

到这里，认为这是一件几乎不可能完成的任务也并非毫无道理。人们对此感到难以置信，以至于很多人提出，或许围绕年轻恒星存在的这些尘埃盘根本不是什么孕育行星的场所，而是新生恒星自带的“胎盘”。要想验证这个问题的答案，一种办法是弄清楚要想形成今天所见的太阳系，当初的原行星盘中需要存在多少数量的物质。如果这样得到的结果与观测到的围绕其他年轻恒星周围的尘埃盘的质量大相径庭，那么，认为行星是从这些尘气体盘中诞生的观点就应该被抛弃。

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对于行星形成机制而言，这是一个令人沮丧的死胡同，除非在少数机会中，一部分尘埃颗粒能够突破限制，生长成为厘米级的颗粒物。

实验室开展的研究显示，当两颗不同颗粒物相撞，并且两者之间的大小差异足够大的时候，较小的颗粒物会发生反弹，但是它最多可以有大约一半的质量会留在较大的撞击颗粒身上。这就有点像是往你兄弟脸上丢果冻，可以预料大部分果冻都会掉到地上，但是仍然会有相当多的一部分果冻会粘在你兄弟的脸上。因此，厘米级尘埃颗粒将沉浸在一片毫米级尘埃颗粒的包围之中，每一次撞击都会让它增加质量。

媒体评论

“一个不可抵抗的主题，读者会对塔斯克的细节描述非常满意。”——《科克斯书评》

“塔斯克引人入胜地阐述了种类繁多太阳系外行星，既有常见的，也有独特的。”——《出版人周刊》

“如果你一直对太阳系外行星感兴趣——哪怕你没有，你也会把这本书放在阅读清单的首位。”——《天空和望远镜》

“详细又容易理解。塔斯克基于最新发现，在书中展示恒星、行星和卫星的构造和组成。”——丹·卡普兰，《书单》杂志

“充满了有趣的见解和科学知识，能够捕捉到太阳系外行星研究的现状。”——《夜晚的天空》

“这本极具可读性和权威性的图书成功地完成了一项几乎不可能完成的任务，解释了你所需要了解的、有关这个领域的革命性发展。这个领域正在探索这些新的世界，以及它们可能潜藏着什么。”——迦勒•沙尔夫，哥伦比亚大学《天体生物学目录》

“伊丽莎白·塔斯克是这个天文冒险故事的完美向导，她生动地将世界领先的星球搜寻者带入生活，并以令人印象深刻的讲解揭示了这项研究的关键技术细节。”——迈克尔·D.勒莫尼克，《科学美国人》的首席意见编辑，《镜像地球:寻找地球的孪生兄弟》作者

“伊丽莎白·塔斯克用生动的科学叙述，加上狡黠的幽默，把了解太阳系的行星以及太阳系以外的行星变成一种丰富而有益的乐趣。”——马克·考夫曼，《第一次接触》和《火星近距离接触》的作者，美国宇航局在线专栏“多个世界”的创始人

“……易接近、清晰和完整。”——詹妮弗·卡森，《科学》

书籍介绍

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20年前，寻找太阳系以外的行星的工作仅限于科幻小说作家，而现在它是天文学中增长最快的领域之一，迄今为止已经发现了数千颗系外行星，且这个数字还在迅速上升。在过去的十年里，在开普勒太空望远镜发明之后，这些探测才成为可能。这些新发现的世界比小说中的任何东西都更陌生：比木星大的行星，寿命只有一周；两个太阳照亮的天空, 或根本没有太阳；围绕恒星死亡残骸旋转的行星——这种多样性的发现只是一个开始，将来有可能发现一个完整的星系。

《寻找第二个地球：系外星球和行星工厂》就讲述了系外行星以及系外行星围绕系外恒星运行的故事。系外行星是宇宙中最伟大的构造方案之一，它们几乎出现在你所看到的每一颗恒星的周围，本书讨论了这些行星的构成方式、结构和特征，并详细描述了所使用的探测技术，然后着眼于我们熟悉的表面环境和行星大气层，暗示了生命存在的可能。