宇宙实验室

总而言之，开普勒望远镜花了6亿美元，又抢占了全球媒体的一天头条，回报给人类的只是一些远方行星的间接证据，对改善地球环境、缓解资源压力毫无帮助。那么，我们为什么要支持这样的项目，为什么要为了远方行星的幻影而欢呼呢？

让我们先放下这个问题，分析一下“开普勒”是如何“看到”（这次不是字面意思啦）这些行星的。

严格说来，我们从未“看清”任何太阳系外行星，甚至完全看不到其中的绝大多数。读者应该记得，我们把太阳系里的知名星体都“看”清楚也不过是上周的事情——在新视野号抵达目的地之前，冥王星对人类而言只是毫无细节的一个圆面。至于距离以光年计的恒星，绝大多数在最强的望远镜里也只是无法分辨大小的光点，更不要说这些恒星周围的行星了。最近几年，随着望远镜技术和图像处理技术的进步，人类勉强能通过望远镜给一些离太阳系足够近、也足够大的系外行星拍照。你不要对这些照片预期过高——只是一些能看出颜色的光斑而已，模糊到无法判别图像的边缘。

图2 系外行星VHS 1256b

但“眼见为实”这句话并不适用于科学。一个巨大的行星在轨道上旋转，除了反射可见光，还会制造许多其他的效应，可以用精密的仪器进行测量。只要测量到这些效应，我们就算从未看见这个行星——比如这次的Kepler 452b，我们依然可以推断出它的存在。不要忘了，太阳系里肉眼可见的行星，除了我们脚下的地球，只有金木水火土5颗。从天王星开始，我们就要借助望远镜和照相机才能观测行星反射的太阳光。到了海王星，已经是“笔尖上的发现”，即我们在通过望远镜看到海王星的反光之前，就已经通过引力效应发现了它的存在，比较准确地预言了它的轨道。对于太阳系之外的行星，人类虽然更难“看见”，但也能通过类似的方式去观测。

比如说，足够大的行星会对恒星产生引力牵引，导致恒星的位置周期性地摆动。记录摆动的周期和幅度，再根据光度和光谱分析恒星的质量。科学家就能推断出恒星周围行星的质量和轨道。如果恒星有多个行星，恒星就会呈现多个不同幅度的摆动叠加。只要观测的时间足够长，还可以推断每个行星的轨道和质量。

从光学上说，虽然大多数行星的反光被淹没在中心恒星的星光里。但从地球的角度看过去，部分行星的轨道会恰好从恒星面前通过，周期性挡住恒星的一部分光芒，导致恒星的光度下降。只要已知恒星的半径和光度，也可以通过简单的几何分析来推断行星的半径。

某些行星有大气，或是本身就是木星这样的气态行星。这样的行星挡在恒星前面时，大气会吸收一部分恒星的光线。通过分析哪些频率的光线被吸收，我们能知道行星的大气包含什么气体。如果包含水蒸气，再考虑行星和恒星的距离，就能大概推断行星上是否有液态水。

除了可见光，恒星还会在红外、紫外、射电等频率发射各种各样的电磁波。行星既能遮挡这些电磁波，也能反射电磁波。射电望远镜会提供很多超越“看见”的信息。

人类运用了如此之多的手段去观测系外行星，如果把逻辑反过来说，就是系外行星为人类提供了无比宏大的实验室，验证和探索我们对这个世界的基本认识。诚然，人类无法干预这个实验室的运行，就像历史学也无法做实验一样。但人类可以通过足够多的史料来总结历史规律，也可以通过观测足够多的星体来弥补被动观测的不足。我们能看到多少星呢？

全天肉眼可见几千颗星，但只要拿起一副最简陋的双筒望远镜，这个数字立刻暴增到几万颗。几千块钱的望远镜可以让你观测几百万星体，专业的天文台就必须用“亿”来描述自己的观测对象。至于人类现在到底能看到多少颗星星，这个数字无法回答，但至少也得用千亿来衡量。

如此之多的星体，即便大多数是平淡无奇、彼此相像的主序星（像太阳这样的中年恒星）和红矮星，但只要有足够的耐心去逐个分析，总能找到符合特殊要求的“实验对象”，为人类提供各种极端状态的实验条件。开普勒望远镜只工作了几年，就找到了几百颗系外行星，其中绝大多数“恰巧”正好可以挡在恒星和地球之间。这说明只要观测的对象足够多，小概率事件也是必然事件。

天文学这个宏大实验室对物理学的贡献不可低估。习近平在演讲中特意提到过：“天文学与其他学科交叉融合实现的每一次重大突破，都对基础科学乃至人类文明进步带来现实的和长远的深刻影响”。这话说的不错，爱因斯坦的广义相对论、牛顿的力学定律和万有引力公式都是通过天文学观测得到验证的。否则的话，人类不可能找到恒星那么大的引力源去偏折光线，牛顿时代也无法找到标准化的实验工具来建立现代物理学体系。被写进物理课本的基尔霍夫（基尔霍夫电流定律）曾通过光谱分析出太阳大气的构成元素，被人调侃“你知道太阳上有金子又如何？能挖到么？”，转眼他就因为光谱分析方面的研究获得了金质奖章——对于全人类的科技进步来说，天文学提供的实验案例是用黄金也换不到的“富矿”。所以，不必奇怪，就在我几百米外的上海交通大学，物理系的全名是“物理与天文系”。