天文学新发现
序：本文译自《时代》周刊新近推出的专辑《100项科学新发现》的天文学部分，文中回顾了近两年来天文学和空间科学方面的进展，其中的焦点是系外行星搜索。虽然就个人来看，这个回顾并不全面（如忽略了高能天体物理的新成果），但是也不失为不错的总结介绍。至于专辑的其他部分，涉及医学、考古学、工程、物理学、化学、遗传学、地球科学等各个方面，限于时间应该不会全文翻译了。
Michael D. Lemonick
系外地球新搜索
天文学家正在发现，银河系中充满了行星。现在真正的竞争目标是寻找一颗可以支持生命存在的星球。
在影片《接触》中，Jodie Foster对充满敬畏的Matthew McConaughey说道：“仅仅在银河系中就有4000亿颗恒星。如果每100万颗恒星中只有一颗拥有行星……而其中每100万颗中才有一颗存在生命……这其中每100万颗才有一一颗具有智慧生命……实际上也会存在数百万个文明世界。”好吧，情况并非如此。如果你确实将这些百万分之一相乘，压根就不会有任何文明世界存在。但是基本的推理是几十年来天文学家一直使用的。银河系大得可怕，如果只有一小部分恒星拥有存在生命的行星，银河系也会充满了丰富的物种。
甚至早在1997年《接触》上映的时候，科学家对于拥有行星的恒星数目也并没有线索。当然有我们的行星，还有少数几颗环绕着邻近恒星运转的非宜居行星，就在这之前两年，天文学家在数十年的尝试之后终于发现了它们。但是行星总数仍旧是个大问号。问号很快就被擦去了。在过去的15年间，天文学家将望远镜推到了极限，他们不到半打的外星世界战利品扩展成了超过500个。
超级地球：格利泽581c质量相当于地球的5倍，环绕着一颗暗淡的低温恒星运行。（图片提供：ESO）
现在有了非凡的开普勒空间望远镜，这一数字即将螺旋急增。2011年2月，开普勒的任务科学家宣布，他们的探测器发现了超过1200颗新的行星候选对象。这其中的大多数仍有待确认，一些最后可能被证明为假信号，不过专家说，后者可能不会超过200个。已被证实的发现包括一个完全出乎意料的恒星系统，它拥有至少6颗行星，每颗质量都比地球更大，其中的5颗聚集在小于水星轨道半径的范围内。
这是行星搜索科学的惊人一跃，而且这差点没有出现：从1992年起，开普勒计划至少由加州NASA艾姆斯研究中心的天文学家Bill Borucki向NASA提交了5次。最初四次提议都被当场否决了，原因只是因为太困难。Borucki的想法是花费几年的时间全天持续监测一群相对邻近的恒星。如果其中的任何一颗恒星拥有行星，环绕其运行的星球会定期通过恒星前方，天文学家称这一现象为“凌星”。恒星的光芒会略微变暗一点，这不仅可以揭示出行星的存在，还可以给出行星的尺度，原因是较大的天体阻隔的星光比小型天体更多。
NASA并不买帐。不过虽然Borucki看上去很温和，他却有着斗犬般的固执。计划的副首席研究员Natalie Batalha说：“Bill这个人可以将消极的东西甩开。他的提议被否决了，他们告诉他这项提议很糟糕，而他并不会像大多数人那样看待它。”
这值得赞扬，但是不能责怪NASA的紧张表现：Borucki不仅坚持认为开普勒望远镜可以找到行星（假设它们存在），还宣称它可以足够敏感，找到地球大小的行星。它们比其他人业已发现的木星级巨型行星要难找得多。Borucki说：“人类需要查明在银河系中是否存在生命。其中的一步就是寻找行星，第二步是找到类地行星。”
人们可能已经找到了一些。在开普勒超过1200个候选对象中，不少于68个的大小大致与地球相当，而虽然这些可能的地球多半距离主星过近（因此表面温度过高），其中有5颗位于所谓的宜居带中，在此轨道范围内的温度适宜生命存在。唯一的不足是，待考恒星要比太阳暗得多，温度也低得多。这并不能排除生命存在的可能性，却为之增加了复杂因素。
现在对于开普勒来说，找到一颗环绕类太阳恒星运转的真正孪生地球还为时过早，哪怕是在理论上。原因是任务的指导方针要求，在宣布发现之前，至少需要观测3次连续的凌星事件。从定义上看，孪生地球需要花费一年的时间环绕主星运转一周，但是现在开普勒刚刚入轨18个月，而数据处理所需要的时间很长，2月公布的候选对象仅仅是根据最初4个月的观测提出的。
系外行星新品种：左上：开普勒-10b，这个质量相当于地球4.6倍的行星是已知第一颗岩石系外行星（图片提供：Kepler Mission/Dana Berry/NASA）；右上：HIP 13044b，这颗类似于木星的星球是从其他星系俘获而来的（图片提供：AFP/Getty Images/NEWSCOM）；左下：格利泽 581g，它是环绕着红色恒星格利泽 581运转的行星系一员，系统中至少有4颗行星（图片提供：Lynette Cook/NASA）；右下：HD 209458b，近处恒星的火光将它的大气吹出了一道尾迹（图片提供：NASA, ESO, and G. Bacon）。
在过去的20年间，科学家发现了大约500颗环绕远方恒星运行的行星。
哪怕在3个轨道周期的要求得到满足之时，天文学家也不能完全断定发现了第二个地球，除非他们可以确信组成新行星的物质与我们自己的地球类似。长期以来行星理论家都在假设，如果一颗行星的尺度与地球相当，它必然与地球类似，是由岩石、一些铁元素以及一点水分组成的。然而情况可能并非如此，这很大程度上取决于产生恒星以及行星的宇宙云团。如果其中的混合物与我们自己的远古云团差异很大，最后可能会形成一颗大体由碳元素组成的地球，核心是钻石。或者它可能主要由水冰组成。它甚至可能是一滴巨大的水滴，宽8000英里。
通过测量行星的质量进而是密度，可以排除（或者确认）这些奇异的可能性。这可以告诉你星球的组分。开普勒迄今找到的最为蓬松的行星密度与泡沫塑料相当；而另一颗通过地面研究发现的星球确实主要由水组成。
而哪怕开普勒而已机发现了第二个地球，也不能保证其上有生命存在。如果有，那里的生物可能也没有无线电发送设备来传输信号。我们最早发现的外星生命有可能是微生物，而在星际间隔上，发现它们的唯一方法就是探究它们是如何改变了所处行星的大气层的。
想做到这一点，就需要直接对遥远的地球成象。当前这超越了我们的能力，不过天文学家设想了很多未来的技术。他们的梦想是，名为类地行星发现者（TPF）的空间望远镜可以拍摄这样的照片。这架大型光栏可以遮掩恒星本身，因为星光会让邻近行星的微弱光芒淹没掉。其实现的方法可以是在望远镜中设置某类遮光板，也可以更奇思妙想地在几千英里外的太空中设置“掩星仪”并与之对齐，这与伸手遮住射入眼睛的手电筒灯光类似。
所有这些都相当难以实现，也尤其不廉价。NASA原先希望在这一10年间的某时发射TPF，但是预算压力将其推延到了无限期之后。
因此在不久的将来，任何对外星生命感兴趣的人也许只能满足于寻找存在多少类地行星了。如果它们确实存在，开普勒望远镜将发现它们，现在日益明确的是，开普勒会发现其数目远远超过任何人的预期。开普勒只监测大约156000颗横心，现在在大约其中100颗周围找到了候选行星，这远比Jodie Foster所说的百万分之一要多。不仅如此，开普勒的视场只是全天的大约400分之一，因此必然有多得多的行星它无法看到。而由于它是一架不大的望远镜，它只监测邻近的恒星。
简而言之，很难高估这架相对较小的空间探测器的重要性，而它很可能根本就不会发射。来自哈佛大学的行星搜索者、兼职与开普勒小组工作的David Charbonneau说：“在接下来的两年中，开普勒会给我们对银河系行星的认识带来革命。”
来自远方的彗星
数十年来，天文学家一直确信，彗星诞生于太阳系最早期海王星周围以及更远处的冰冷黑暗之中。然而现在出现了新的理论：研究工作表明，太阳系部分的彗星实际上并不是在这里形成的。相反，它们是从另一颗恒星劫持而来的。
天火：McNaught彗星，2007年摄于智利。（图片提供：S. Deiries/ESO）
研究工作表明，太阳系部分的彗星实际上并不是在这里形成的。相反，它们是从邻近恒星劫持而来的。
大多数彗星存在于奥尔特云中，这里是环绕着太阳系的庞大岩石和冰霜之霾。有些时候奥尔特云失去了对一颗彗星的控制，彗星朝太阳翻滚而去，这些逃逸者就是我们看到的那一部分。可惜Boulder市西南研究所的天文学家Hal Levison说，这种理论并不那么完整。奥尔特云过于黯淡，我们无法直接观测。相反，科学家利用彗星朝太阳冲来的速率来计算云中所有天体的数量，单凭传统观点构建出的奥尔特云尺寸并没有实际来得大。那片区域太大，不会全部是由原太阳造就的。
Levison提出的新理论认为，太阳系并非孤立形成，而是与一窝数百颗恒星在巨型气体云中一起诞生的。在这样的条件下，彗星可以被拉动，从一颗恒星经过下一颗，最后往往与最初的故乡相距甚远。Levison说，在整个人类历史中，我们可能最多只见过一颗本地诞生的彗星。这意味着几乎可以肯定地说，下一颗在夜空中出现的可见彗星是一个漂亮的移民，也许这是值得在地球上留意的宇宙教训。
太阳系的宁静点
如果你希望长途旅行却哪也没有去，你最好选择拉格朗日点。我们的太阳系可能是持续活跃的地方，轨道一层套一层，行星环绕着太阳运行，卫星环绕着行星运行，彗星和小行星混乱地穿行其中。但是这里有少数一些地方，天体的往来成了全然的停顿。
万物安宁：第一至第五拉格朗日点的示意图，说明了太空中引力达到平衡的地点。（图片提供：NASA/WMAP Science Team）
这些宁静点是1772年法国数学家路易·拉格朗日发现（或者说推断）的。他意识到引力在宇宙中并非处处均匀地拉动物体。举例来说，从地球飞向月球的时候，航天器在完成航程的80%前都一直被地球引力向后拉动，随后由弱得多的月球引力接手。航天器实际上从上坡转为下坡。在过渡点，两个天体的拉力相等，物体可以悬浮在太空中。
人们已经测绘了众多的拉格朗日点，它们位于太阳和地球之间，在地球环绕太阳的轨道前后，还有一个处在太阳背面与地球成180度的位置。在所有这些地方，从技术上看，航天器都是运动的。但是由于与地球精确同步，它们看起来是静止的，这让拉格朗日点超越了好奇心。在NASA试图重新定义太空探测宏图的时候，拉格朗日点成了吸引人的地方，可以在此进行宇宙观测而不受地球光线、引力或者无线电干扰的影响。这并非一小步外加尘土中的靴子一类的东西，不过它可以是从事巧妙科学的绝妙方式，而这正是太空旅行首要的面目。
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