前言
30年前，人类所知的世界共有8个：我们的地球，自古以来人们就知道的五大行星，以及在发明望远镜后发现的另外两颗行星。那时，天文学家们已经能够观测宇宙大爆炸所遗留下来的微弱的辐射波动，却不知道在太阳系以外的恒星系统里，也有行星的存在。
现在，我们认识到了数以千计的异星世界。
在本书中，您将走进20个世界，它们每一个都是一颗行星。它们中有些与地球相似，有些却迥然不同。它们每个都有着自己的故事，那是对它们自身、对其他许多世界都很重要的故事。通过这些故事，我们能看到环绕其他恒星的各颗行星世界的独特面貌，了解到发现和观测这些世界的一系列技术，回溯影响它们形成的物理过程，探索它们孕育生命的可能性，并展望这些行星最终的归宿。
在附录中，您能查阅到这20颗行星世界的具体特性；参考文献部分详细罗列了发现和探索这些行星的精彩研究资料。从中，您也能看到一些从事这些研究工作的杰出科学家的名字。但不要忘记，这些姓名往往仅限于研究团队的领导者，而所有的天文研究都是建立在许多人工作的基础之上，这些人包括研究团队中的伙伴、之前对同一课题进行过研究的其他科学家、建造宇宙观测设备的工程人员，以及天文台和大学中难以计数的工作人员从望远镜操作员到行政人员再到清洁工。
我希望，本书能让读者了解我们是如何观测和探索行星的。科学不是魔法，不是某种量子理论和广义相对论的神秘咒语，只有少数天赋异禀的巫师才能运用。简单地说，天文学就是一系列计算方法的集合。它能够计算出在一颗恒星周围是否存在着一颗环绕着它运行的行星；能够计算出这颗行星的质量究竟有多大；能够计算出适用于这颗行星大气的最佳模型。如果本书中有哪些内容令人费解，那一定是因为我没有将其原理解释清楚。
最后，我希望本书能帮助读者对我们纷繁复杂、不断发展的天文学知识有一个良好而全面的了解。我也希望本书能引导读者了解天文学家是如何在不到30年的时间里在系外行星研究领域取得如此巨大进展的。
序：太阳系行星家族
你今晚最好多拿出一条毯子来。
每当夏威夷夜间气温要降到20℃以下的时候，电视上的天气预报员都会加上这么一句建议。这倒是合情合理，因为这个地方总是这样气候宜人，以至于夜间新闻居然还有时间进行有关冲浪、火山气体和水母的播报。
夏威夷的天气预报描绘了一个适宜人类居住的、稳定的，甚至可以说是理想的气候条件。与寒风怒号的南极平原或烈日炎炎的死亡大峡谷中的荒漠相比，火奴鲁鲁为人类提供了一个既不太热（很少高于30℃）也不太冷（偶尔会降到20℃以下）的环境。对比南极洲沃斯托克湖夜间那刺骨的-81℃，或者加利福尼亚郊外白日酷热的57℃，夏威夷的温差真是小得让人惊讶。夏威夷电视台的天气预报员建议多找一条毯子，这放在南极洲的晚上很可能不太够用。不过，与环绕其他恒星的形形色色的行星世界相比，那极寒的南极腹地或死亡大峡谷中炽热的荒漠倒像是一处平静的世外桃源了。
在一天之内，火奴鲁鲁的昼夜温差大约是10℃，仅仅是近几百年气象观测中所测得的全球气温波动范围的1/14。但与其他行星相比，我们的行星却是一个安逸而宁静的住所。在太阳系中，有着坐落在外层轨道的寒冷的冰态行星，像温度低至-240℃的冥王星，也有着拥有浓厚大气、气温高达470℃的金星。但是，与我们观测环绕其他恒星的行星所得到的数据相比，这710℃的温差却又显得微不足道了。在这些太阳系外的行星（或称为系外行星）上，温度常常超过1000℃。当前的纪录保持者是行星KELT-9b，它紧紧围绕着它那白炽的母星运行，这让它那烤炉般大气的温度达到了4300℃。这些系外行星上的温差大约相当于地球温差的30倍。
上文所提到的温差并不能涵盖所有种类的行星。有的行星没有空气，地表一片荒芜；有的行星有着令人窒息的有毒大气；有的行星拥有绛红色和青蓝色的云彩；还有的行星是由钻石构成的。而在这个世界之外，还有着更多的世界。由于行星在夜空中是移动的，所以许多古代文明都很重视行星。在古代美索不达米亚，行星是慢慢踱过天空的野羊。对古希腊人而言，行星是横穿苍穹的游荡的星，与之相对的是固定的星。事实上，英语中planet（行星）这个单词，正是来源于古希腊语中的planēfēs一词游荡。在漫长的天文史中，教士、占星家，以及历法的编纂者和维护者们，都对天体进行着观测和研究。在埃及，天狼星的第一次出现标志着至关重要的尼罗河洪水的开始。当太阳在西方落下，而昴宿星团恰好在东方升起的时候，就标志着夏威夷人的玛卡希基节的开始。因此，准确地计算群星的位置对于早期人类文明的农业、宗教仪式和日常活动都有着非常重要的意义。
要想预测行星穿过夜空的路径，就必须建立一个宇宙模型。大多数古希腊思想家所使用的星图都把地球放在宇宙的中心，太阳和行星围绕地球旋转。这种宇宙模型必须营构出一系列复杂的天体运动，才能解释行星的运动轨迹。而公元前3世纪的古希腊天文学家萨摩斯岛的阿里斯塔克斯发现，如果把太阳放在已知宇宙的中心，那么所得到的宇宙模型就非常符合实际的观测结果。尽管这种理念在西方世界中几乎沉睡了千年，但中世纪伊斯兰世界的天文学家，以及印度喀拉拉邦的天文学院也分别独立地发展出了同样的观点。阿里斯塔克斯还提出了其他更为激进的宇宙观。在他之前，古希腊哲学中鲜有类似的表达。阿里斯塔克斯指出，那些相对于行星停滞不动的光点，也就是固定不动的星星，其实它们都是和太阳一样。他的观点，尽管当时没有得到人们的广泛接受，却是关于恒星与行星属于物理实体而不是单纯的光源这一性质的早期思考。
在公元前1世纪，中国天文学家京房写道：星月皆阴，具形而晦光。这清楚地表述了行星本身不是光源而是反射阳光的星体这一观点。在欧洲，亚里士多德以及许多后期继承他的观点的宗教人士都认为，月亮和行星是毫无缺点的天体，是完美的球体。直到有人进行了更进一步的观测后，才证明这种观点是错误的。
伽利略·伽利莱是如此优秀，以致人们差一点两次用《圣经》中加利利人的典故来作为他的名字。他是第一个发表了关于太阳、月亮和行星的望远镜观测结果，并获得广泛认同的人。他对这些天体的观测推翻了太阳和月亮是完美造物的观点。太阳的表面布满了斑点；月亮的表面则满是如伤疤般嶙峋的山脉；土星呈现出奇怪的扁平状，仿佛有两只把手；还有木星，似乎有4颗星星在围绕着它旋转。太阳、月亮、行星，都不是理想化的、完美无缺的天体，而是真实的，甚至是奇怪的物理实体。它们也有着缺陷，有着同我们地球相似的性质。
除了地球之外，在太阳系中还有7个巨大的世界：可以用肉眼直接观察到的水星、金星、火星、木星和土星，以及通过望远镜发现的天王星和海王星。这些行星可以分为三大类：居于太阳系内层轨道之上，由岩石构成的类地行星（水星、金星、地球和火星）；两颗巨大的气态巨行星（木星和土星）；位于外层轨道的两颗冰态巨行星（天王星和海王星）。
内层轨道上的4颗行星似乎各不相同。炽热的水星、具有浓厚有毒大气的金星、我们的气候温和的地球以及干燥荒芜的火星。不过，它们都有着一个重要的相似点：它们主要都是由岩石构成的。即，构成这些星球的大多是硅、氧、铁等重元素。其中后三颗行星都被一层薄薄的大气层环绕着。它们的大气层主要由氮、氧、二氧化碳等较重的气体组成，而几乎没有氢气和氦气。这些类地行星的引力相对较弱，使它们难以在大气层中留住像氢、氦这样较轻的气体，但水星是一个例外。我们的中央恒星所迸射出的氢气和氦气，作为太阳风的一部分，不断对水星那极度稀薄的大气进行补充。
木星和土星是太阳系行星系统中最大的两颗行星。其中仅木星本身的质量就大于其他7颗行星的质量总和，而这两颗行星放在一起，就占了太阳系所有行星的总质量的90%以上，这说明这两颗行星很可能拥有岩核。其中土星的岩核大约相当于地球质量的922倍。在太阳系形成的早期阶段，那些被称为原行星的行星胚胎争夺着太阳形成后所遗留的气体和固体物质。这些原行星越大，它们产生的引力就越强，也因此能够夺得更多的物质。正因为如此，质量更大的土星胚胎和木星胚胎可以把在早期太阳系中的巨量而丰富的氢气和氦气拉进它们的怀抱，从而让它们凌驾于那些质量更小的行星之上。由于它们比类地行星拥有更大的质量，木星和土星能够凭借它们更强大的引力留住这些更轻的气体。
在木星大气的云带和风暴之下，有着一个奇怪的海洋，这个海洋并不是由水组成的，而是氢气和氦气。木星的大气非常浓厚，沉重地压向下方的物质，使下方的物质在巨大的压力下变成了液态。然而，在这个海洋之下，还存在着另一个氢氦海洋，只是这里的氢、氦呈现为更极端的形态。在这样的深度，压力是如此巨大，导致氢原子失去了它们的电子，从而使海洋表现出液态金属的状态。你也许以为汞元素是液态金属最典型的例子。液态的金属氢看起来与汞很像，反射着光，但由于它的黏度比汞低得多，看起来更像是水在流动。
冰态巨行星是3种大行星中的最后一种，它与气态巨行星不同的是，我们尚且无法清楚地解释这些冰态巨行星究竟是如何形成的。它们远离太阳，在那么远的地方原本很难形成行星。人们推测，它们原本形成的轨道比现在更接近土星和木星，却被它们那更沉重而贪婪的表亲推到了更远的轨道上。天王星和海王星完全不同于气态巨行星或类地行星，它们拥有岩核。但与气态巨行星不同的是，它们的岩核没有足够的质量，难以吸收早期太阳系中巨量的氢、氦气体。不过，它们本身所拥有的氢、氦元素也足以成为这两颗行星大气中的主要组成成分。在冰态巨行星的大气和岩核之间同样存在着一个中间层。这一层是由一种奇怪的高压状态的水、氨和甲烷共同构成的。这种超离子水既是固体也是液体，并且通常被称为冰。但它在结构上与我们在地球的冬日所看到的固态水完全不同。冰态巨行星中的冰并不是指在天王星和海王星上的水、氨和甲烷的当前状态，而是指这些组成成分的来源。在太阳系的早期阶段，这两颗行星在形成初期吞噬了形成于远离太阳的寒冷地带的巨量冰态物质。
图0-1太阳系家族成员的情况
图中，行星的大小是按比例呈现的，但实际距离并未按比例呈现。太阳的半径大约是木星半径的10倍。
图0-2太阳系家族成员之间的距离
与真正的太阳相比，图中的太阳大了20倍。那些代表行星的点并不是按比例缩放的。行星的轨道并不是完美的圆形，而是略呈椭圆形。
我们似乎可以很轻松地归纳太阳系中各大行星的特性：在内层轨道上的岩质行星，主要由氢和氦组成的巨行星，以及拥有大量水，由氢、氦等较轻气体构成外部大气层的行星。
意大利画家卡拉瓦乔的画作《耶稣被捕》悬挂在爱尔兰国家美术馆。在消失了200年后，人们在1990年重新发现了这幅画作。它表现了耶稣基督被加略人犹大出卖，被罗马士兵逮捕的情景。卡拉瓦乔，这个因谋杀而把自己人生中最后的4年用于逃亡的人，把他自己作为圣彼得的形象画入这幅画作之中。作为一名艺术家，卡拉瓦乔以他阴暗的人生和大胆地运用光线刻画人物而闻名。在这幅画作中，他就通过这样的用光来抓住欣赏者的眼睛：一道闪光突出了士兵伸向耶稣脖颈的手臂。不过，这并不是罗马军团士兵的手臂，而是一名17世纪士兵的手臂。与其让这些《圣经》中的反派人物穿上古代的服装，卡拉瓦乔选择为耶稣的袭击者穿上了他自己时代的军人服装。在西方艺术中，这种时代错乱，将当代人物形象代入《圣经》或神话场景之中的做法是非常常见的。
不仅是对历史的回顾容易受到这种时代错乱的影响。大约在20世纪初，很多法国画家创作的画作，都描绘了他们所幻想的2000年的情景。这些画作表现了某种蒸汽朋克式的省力装置，以及那些大胆地展望未来的个人飞行机器。在一些作品中，展现出惊人的预见性。比如，他们所想象的战车，就有着与现代坦克同样的功能。在学校，教科书被送进一台巨大的粉碎机，随后再通过一个头戴装置传送给学生。这是对我们信息社会的一则相当粗笨的预言。在所有的画作中，所应用的技术都采用了19世纪末人们所熟悉的形式。没有计算机、火箭或原子弹，只有传送带、螺旋桨和格林机枪。同样，这些画家是把自己所熟悉的现在的知识应用到了遥远的时间框架之中。
当我们在思考宇宙中那些遥远的角落时，也容易做出同样的事情，那就是依据我们所熟悉的知识进行推断。我们看到我们太阳系中的行星有着某种规律：岩质行星的轨道靠近恒星，它们绕恒星转动一圈只需要几个月到几年的时间；气态巨行星的轨道离恒星远一些，它们公转一圈需要几十年的时间；冰态巨行星要花费大约100年的时间绕太阳转动一圈。于是，你会假设在其他行星系中也会存在类似的模式。但人们所发现的第一颗环绕类太阳恒星运行的行星，就证明了这些假设真是大错特错。
书单推荐
