尋找逆行行星

編譯 劉聲遠

約翰·約翰遜至今還記得自己發(fā)現(xiàn)第一頭“藍獅子”的那個夜晚，當(dāng)時他正透過夏威夷島的死火山莫納克亞山巔的“昴星”望遠鏡觀測天空。當(dāng)晚早些時候，在他驅(qū)車經(jīng)過碎石路到達山巔前，他的合作伙伴焦希·維恩從馬薩諸塞州打來電話，開玩笑地說：“發(fā)現(xiàn)逆行行星，就在今晚?！?/p>

所謂逆行行星，是指在與母恒星自轉(zhuǎn)方向相反的軌道上圍繞母恒星公轉(zhuǎn)的行星。太陽系里沒有這樣的行星，但包括約翰遜在內(nèi)的少數(shù)幾位天文學(xué)家，十分期待能在另一顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)逆行行星。身為美國加州理工學(xué)院科學(xué)家的約翰遜說：“（尋找逆行行星）就好比踏上撞見一頭藍獅子的狩獵遠征。”

藍色的獅子當(dāng)然很另類，恐怕永遠都找不到，但自從1995年發(fā)現(xiàn)第一顆太陽系以外的行星以來，大自然看來一直在向我們提供“綠斑馬”、“橙犀牛”和“紫野?！敝惲钊朔艘乃嫉臇|西。首先是“熱木星”——在比木星與太陽之間的距離近得多的軌道上環(huán)繞母恒星運行的行星。然后是腫脹的行星，其個頭相對于其質(zhì)量而言實在是過于龐大。質(zhì)量比地球大、卻又比海王星小的行星，在太陽系中是不存在的，而在太陽系以外并不鮮見。還有一些太陽系外的行星的公轉(zhuǎn)軌道高度偏離正圓，在這一點上它們很像是太陽系里的彗星。約翰遜說：“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)其他的恒星-行星系統(tǒng)時，沒有人料到它們與我們的太陽系截然不同。”

直到最近，與母恒星反著轉(zhuǎn)的行星才被發(fā)現(xiàn)。少量小行星、海王星的衛(wèi)星特里同（海衛(wèi)一）及某些類型的星系也不按規(guī)則出牌（請參見相關(guān)鏈接《逆行衛(wèi)星》和《逆行星系》）。事實上，怪異的世界是如此之多，科學(xué)家現(xiàn)在開始意識到，行星和其他天體的生命可能比他們曾經(jīng)認為的要復(fù)雜得多，我們所知的太陽系行星可能不過是“冰山一角”。逆行行星啟發(fā)我們：還有很大一座“冰山”等待我們?nèi)グl(fā)掘。我們也許最終會發(fā)現(xiàn)：像地球這樣能在可居住地帶內(nèi)（與恒星的距離不遠也不近，因而允許液態(tài)水的存在）穩(wěn)定存在的巖石行星，實際上只是宇宙中的一個特例罷了。

有關(guān)逆行行星的故事要從2005年講起。當(dāng)時約翰遜和維恩為太陽系外的行星系統(tǒng)所驚，于是把注意力集中于這些系統(tǒng)的一個尚未被測量過的基本特征，而這個特征或許會帶來新的發(fā)現(xiàn)。這個特征就是——行星軌道面與母恒星赤道之間的夾角。

在太陽系中，這個夾角平均只有7°。也就是說，太陽系中所有行星都在太陽自轉(zhuǎn)的方向上圍繞太陽運轉(zhuǎn)，行星的軌道面幾乎與太陽的赤道重合。這被認為是太陽系的形成過程（從一團旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃云中形成）的一個直接后果。這團云在自身引力下坍縮，變成一個扁平的自旋盤。約翰遜說：“正因為太陽和太陽系行星聚合自以相同方向旋轉(zhuǎn)的盤材料，所以太陽系行星最終的軌道面與太陽赤道同平面，公轉(zhuǎn)方向與太陽自轉(zhuǎn)方向一致?！钡@就是故事的全部嗎？約翰遜說：“考慮到太陽系外的行星一直在捉弄我們，我們也對自己可能發(fā)現(xiàn)有趣的東西而滿懷信心。”

在檢查了9顆太陽系外的行星的軌道后，約翰遜和維恩發(fā)現(xiàn)其中8顆的軌道面與各自的母恒星的赤道完美重疊，只有一顆的軌道面與母恒星的赤道有小小偏離。而此時，分配給他們利用莫納克亞山上的“凱克”望遠鏡觀測逆行行星的時間已不多。于是，他們又成功申請到相鄰的“昴星”望遠鏡連續(xù)兩晚的觀測時間。然而，他們并非是尋找逆行行星的獨行俠，因為來自英國大學(xué)聯(lián)合團隊——“廣角尋行星”（簡稱WASP）的一組科學(xué)家也在致力于找尋逆行行星。他們已發(fā)現(xiàn)了一顆近似逆行的行星，并把它命名為WASP-14，它的軌道偏離母恒星的赤道多達70°。雖然WASP-14還算不上真正的逆行行星，但對約翰遜和維恩來說，它的發(fā)現(xiàn)暗示著還有更不同尋常的行星等待發(fā)現(xiàn)。

在運用“昴星”望遠鏡的第一夜觀測中，約翰遜通過探察來自恒星的光線的微妙變動，測量WASP-14的自旋定向。隨著恒星自轉(zhuǎn)，它的一面后退，來自這面的光線紅移到較長的波長。與此相反，來自逐漸靠近的那一面的恒星光線藍移。當(dāng)行星從正前方經(jīng)過母恒星時會阻擋一部分的恒星星光，科學(xué)家通過比較紅移和藍移光線變暗的時間，就能知道行星是順著母恒星自轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)還是反著轉(zhuǎn)。運用這種技術(shù)，約翰遜把英國同行的70°估計值修正為30°，這算得上一個大偏差。

第二晚，約翰遜觀測了一顆被稱為HAT-P-7的行星。這是一顆木星質(zhì)量的行星，在大約300光年外的一條圓形軌道上環(huán)繞母恒星。幾小時后，他開始檢查測量數(shù)據(jù)，結(jié)果令他目瞪口呆：行星軌道面與母恒星赤道之間的偏離幅度極大，HAT-P-7無疑是一顆逆行行星。他終于找到了一頭“藍獅子”！

這個發(fā)現(xiàn)是多么的“離經(jīng)叛道”，約翰遜遲遲未公布它，而是一遍又一遍地復(fù)核自己的測量數(shù)據(jù)。經(jīng)過三周的埋頭苦干，他終于排除了對這個發(fā)現(xiàn)的所有其他解釋。

他和維恩很快寫了一篇論文并提交給著名的《科學(xué)》雜志，但得到的答復(fù)竟然是：英國WASP已搶先宣布發(fā)現(xiàn)了一顆逆行行星并把它命名為WASP-17b。約翰遜事后說：“這是一場勢均力敵的較量，但生活就是這樣。我們是第二，我們只好把論文轉(zhuǎn)交給了《天體物理雜志》信箱。”

至今，已有6顆逆行行星被發(fā)現(xiàn)，其中5顆的發(fā)現(xiàn)者都是WASP團隊。美國加州大學(xué)的天文學(xué)家喬夫·馬西說：“逆行和錯位的行星簡直令人震驚，我至今不敢相信它們（的存在）。它們顛倒乾坤的軌道看來挑戰(zhàn)了我們從太陽系所知的一切，包括我們的地球?！瘪R西發(fā)現(xiàn)的太陽系外的行星比其他任何人都多。

行星怎么可能逆行呢？一種理論認為，隨著行星從原行星盤（圍繞新生恒星的氣體和塵埃組成的盤）里形成，小天體和殘骸到處亂飛。在這場混沌中，三個天體之間可能發(fā)生大碰撞，其中一個被撞得如此厲害，以至于它的軌道方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。海王星的大衛(wèi)星特里同即被認為是在三個天體的小規(guī)模碰撞中被“敲”進它的逆行軌道的。另一種理論認為，逆行行星被俘獲自靠得太近的另一個恒星-行星系統(tǒng)；亦或不是行星，而是母恒星自行發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變得倒行逆施了。一些科學(xué)家提出，這種翻轉(zhuǎn)可能是由恒星磁場與旋轉(zhuǎn)的原行星盤的磁場交互作用導(dǎo)致的。

約翰遜看好的是由日本天文學(xué)家古在于1962年提出的一種機制，古在用它來解釋為什么一些小行星的軌道相對于行星軌道面來說高度傾斜。根據(jù)古在機制，與行星和其他天體的引力交互可能讓一顆行星的軌道面嚴重傾斜，最終讓行星逆恒星而動。也就是說，行星軌道面偏離恒星赤道超過90°。

最近，約翰遜的團隊研究了32顆錯位行星的自旋軌道角度，以查明古在機制是否能解釋這些角度分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅依賴古在機制本身并不能解釋，但如果加上行星之間的碰撞因素，看來就能解釋了。

不管真相是什么，發(fā)現(xiàn)逆行行星這一事實表明，現(xiàn)有有關(guān)太陽系形成過程的模型太過簡單，太陽系外不能用它解釋的東西實在太多。

迄今已發(fā)現(xiàn)超過500顆太陽系外的行星，但科學(xué)家尚未獲得能代表太陽系外的行星的一個完整樣本，這是因為目前的探察技術(shù)能發(fā)現(xiàn)的大多是質(zhì)量很大、距離母恒星又很近的行星，它們不能反映太陽系外的行星的全景。誰知道未來幾年里還會冒出哪些奇異的行星呢？約翰遜認為，我們最終或許會發(fā)現(xiàn)太陽系才是一個真正的另類。換句話說，地球生命是宇宙中的一個特例，外星人就算存在也很難找到，因為它們可能距離地球遙不可及。

馬西對此看法表示認同。他說：“我們的太陽系與眾不同。它的巖石行星存活在可居住地帶，盡管大行星曾經(jīng)可能從它們面前經(jīng)過，它們的軌道卻能一直保持近乎正圓。我們最終可能發(fā)現(xiàn)，像地球這樣大小合適、軌道為圓形的巖石行星實際上相當(dāng)罕見?！?/p>

逆行衛(wèi)星

海王星是太陽系內(nèi)距離太陽最遠的行星，也是太陽系中唯一有大質(zhì)量逆行衛(wèi)星的家園。海王星圍繞轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，而它最大的衛(wèi)星特里同則反向圍繞海王星轉(zhuǎn)。

大衛(wèi)星形成于環(huán)繞新生行星旋轉(zhuǎn)的殘骸，因此它們應(yīng)該以行星自轉(zhuǎn)方向環(huán)繞行星。直徑為地球的1/5的特里同與海王星反著轉(zhuǎn)，暗示它起源于別處。最明顯的地方就是柯伊伯帶，這是由行星誕生后剩下的含冰碎石形成的一個遙遠地帶。在柯伊伯帶邊緣長大的嬰兒時期的海王星可能很容易遭遇柯伊伯帶天體，從而俘獲一個這樣的天體。麻煩是，只有在移動速度慢得不得了的情況下，像特里同這樣大質(zhì)量的天體才可能被俘獲。

有一個解決辦法——假設(shè)特里同有一顆伴星。電腦模擬顯示，在一次三個天體與海王星的相遇中，特里同可以在犧牲伴星——把它逐出去的情況下降低自己的速度。

這樣的相遇并非不可想象，許多柯伊伯帶天體都已知擁有伴星。這個尚未找到的“幫兇”可能就是冥王星，它與特里同大小近似，它的軌道又與海王星的交叉。因此有科學(xué)家想象，冥王星與特里同原本是兄弟。也就是說，特里同并非海王星的親生子，而是海王星抱來的養(yǎng)子，難怪它會這么叛逆。

逆行星系

宇宙中能量最高的天體可能都在做逆行運動。每個星系都被認為有一個自旋的超大質(zhì)量黑洞，它吸入氣體形成環(huán)繞它的超熱物質(zhì)盤。但在一些星系——所謂“活動星系”中，吸積盤中的氣體非常熾熱，其核心可以比所有恒星加在一起的亮度還高幾百倍。這樣的一些吸積盤，甚至能把自己的能量沿著薄噴流（或稱射流）發(fā)射到數(shù)百萬光年遠的地方，這些噴流戳進了星系際介質(zhì)。

無人能肯定是什么導(dǎo)致了這些噴流，但據(jù)信它們由吸積盤中扭曲的磁場驅(qū)動。正是這一點把逆向運動聯(lián)系了起來?？茖W(xué)家2010年2月公布了對活動星系的模擬結(jié)果。他們的計算表明，擁有噴流的活動星系的吸積盤相對于其黑洞反向旋轉(zhuǎn)，而在噴流較少的星系中，吸積盤與黑洞同向旋轉(zhuǎn)。

科學(xué)家因此推測，內(nèi)旋物質(zhì)為靠近反向旋轉(zhuǎn)的黑洞所需的角動量大變，使得兩者的相遇幾乎不可能。這就在吸積盤內(nèi)緣與黑洞之間留下一道間隙，使得磁場在這里“堆積”，導(dǎo)致強勁的磁彈射力發(fā)射噴流。

然而，吸積盤最初是怎么變得逆向旋轉(zhuǎn)的呢？一種理論認為，來自星系的氣流在進入星系中央黑洞的過程中，遭遇與恒星形成過程有關(guān)的超新星和恒星風(fēng)的隨機反踢。這就意味著吸積盤有可能與自己的黑洞反向旋轉(zhuǎn)。一些科學(xué)家相信，逆行吸積盤可能是星系合并的基本條件。