塵封的寶貝：系外行星的第一個證據(jù)

梁炳鑫

在加利福尼亞州帕薩迪納有一幢優(yōu)雅的西班牙風(fēng)格的紅瓦屋頂辦公大樓，這里有三間歷史悠久的儲藏室，保護了一個多世紀(jì)的天文學(xué)資料。下樓梯后向右轉(zhuǎn)，有一個地下室，那里是充滿奇跡的空間。有數(shù)不清的木制抽屜和箱子，從地板堆放到天花板，有望遠(yuǎn)鏡拍到的底片，有太陽黑子素描，還有其他各種記錄。有一股淡淡的氨氣味彌漫在空氣里，讓人想起了老電影。

有一間儲藏室外邊是一扇黑色的小門，上面的門牌寫著——此門莫開。

卡內(nèi)基天文臺擁有威爾遜山、帕洛馬爾和拉斯坎帕納斯天文臺拍攝的250000多張照片底板，時間跨度超過100年。在威爾遜山的全盛時期，最強大的望遠(yuǎn)鏡有兩個，口徑分別為152厘米和254厘米，其中254厘米的于1917年11月1日首次啟用。它們都無可置疑地改變了人類對于自己在宇宙中的地位的理解。但是，這些技術(shù)奇跡超前于它們所處的時代，僅舉一例：這些望遠(yuǎn)鏡捕捉到了遙遠(yuǎn)世界的跡象，但是在這里放了一個世紀(jì)仍沒有人能夠辨認(rèn)出來。

有關(guān)我們這個星系以及整個宇宙的一些重大發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)早期在威爾遜山上進行的。就在這座山上，埃德溫·哈勃意識到銀河系不可能是我們的整個宇宙，因為仙女座（或M31）比銀河系最遙遠(yuǎn)的地方還要遠(yuǎn)。254厘米口徑的胡克望遠(yuǎn)鏡于1923年拍攝的一幅巨大的照片成了卡內(nèi)基倉庫外面的巨幅海報。

埃德溫·哈勃和米爾頓·赫馬森最初在威爾遜山上是看門人，他倆共同努力探索宇宙不斷擴大的本質(zhì)。利用這臺傳奇的望遠(yuǎn)鏡以及來自亞利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄爾天文臺的數(shù)據(jù)，他們認(rèn)識到星系團彼此遠(yuǎn)離，而且星系距離越遙遠(yuǎn)，它們就以更快的速度彼此遠(yuǎn)離。

但是，威爾遜山上一個擁有100年歷史的發(fā)現(xiàn)卻鮮為人知，直到最近才被發(fā)現(xiàn)并受到重視。這就是有關(guān)系外行星的第一個證據(jù)。

一則偵探故事

故事得從本·朱克曼說起。本·朱克曼是加州大學(xué)洛杉磯分校的天文學(xué)教授。他應(yīng)原來在加州大學(xué)洛杉磯分校指導(dǎo)過的一位弟子杰·法瑞希之邀。準(zhǔn)備在2014年7月舉行的一次學(xué)術(shù)會議上講一講太陽系外行星和小型巖石體的構(gòu)成。法瑞希曾建議朱克曼談?wù)劙装堑奈廴締栴}。白矮星類似于我們的太陽，但是沒有太陽明亮，屬于恒星的密集殘余物，耗盡了核燃料，甩掉了外層。天文學(xué)家用“污染”這個字眼來指重元素侵入了這些恒星的光球?qū)?。即其大氣外層。問題是，所有這些多出來的元素都不應(yīng)該出現(xiàn)在那里，白矮星的強大引力應(yīng)該將它們拉入恒星的內(nèi)部，應(yīng)該看不見才對。

被識別出來的第一顆受污染的白矮星根據(jù)其發(fā)現(xiàn)者阿德里安·范·馬南命名為范馬南星（在科學(xué)文獻中一般被稱為范馬南2號），是由范·馬南于1917年根據(jù)這個天體在1914年至1917年中位置上的微弱移動而發(fā)現(xiàn)。后來，已成為威爾遜山天文臺臺長的天文學(xué)家瓦爾特·悉尼·亞當(dāng)斯利用威爾遜山152厘米口徑望遠(yuǎn)鏡的小型玻璃底板捕捉到了范馬南星的光譜，將其解釋為F型恒星，大概是根據(jù)鈣和其他重元素吸收特征的存在及其強度以及溫度稍高于我們的太陽。1919年，范·馬南稱它為“非常微弱的星球”。

今天我們知道，距離我們大約14光年的范馬南星是最接近地球的白矮星，而且不是聯(lián)星系統(tǒng)的一部分。

法瑞希說：“這顆星是一個偶像，是此類恒星中的第一顆，的確可算是原型的原型?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/05/23/qkimagesfdtsfdts201803fdts20180307-7-l.jpg"/>

在準(zhǔn)備講話的時候，朱克曼產(chǎn)生了神奇的體驗，后來他將其稱為“真正的靈感”。范馬南星，1917年研究它的天文學(xué)家不知其為何物，幾十年后那些思索著它的人也不知道它是什么天體。它一定是系外行星存在的第一個觀測證據(jù)。

這與系外行星有什么關(guān)系？

恒星最外層的重元素不可能在恒星內(nèi)產(chǎn)生，因為它們會因白矮星的強大引力場而立即下沉。20世紀(jì)，隨著發(fā)現(xiàn)了更多在其光球?qū)又泻写罅吭氐陌装牵茖W(xué)家開始相信這些奇特的物質(zhì)必定來自星際介質(zhì)。也就是說，來自漂浮于恒星之間的元素。

但是，在拍攝到范馬南光譜之后70年，1987年，朱克曼及其同事埃里克·貝克林報道稱白矮星周圍的紅外光超多，認(rèn)為這可能來自一顆微弱的“敗星”，即褐矮星或棕矮星。1990年，人們將其解釋為環(huán)繞白矮星的一個炎熱多塵的盤。到了21世紀(jì)初，出現(xiàn)了一種新的污染白矮星理論：外行星可以將小石塊推向恒星，恒星的強大引力將它們粉碎，粉碎后的塵埃因為含有該天體的重元素，因此會落到恒星上。法瑞希說：“底線是：如果是小行星或彗星，不只是改變方位，而且還需要推力。到目前為止，最有可能的推動力就是行星?！?/p>

美國航空航天局的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡在擴展研究被高溫多塵盤環(huán)繞的受污染白矮星方面一直發(fā)揮著重要作用。自2004年發(fā)射以來，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡已確認(rèn)了其中約40顆特別的恒星。另一架空間望遠(yuǎn)鏡，即美國航空航天局的寬視場紅外測量探測器，也發(fā)現(xiàn)了一小部分，將總數(shù)增加到今天已知的近50個。由于這些天體非常微弱，用紅外光來識別就顯得至關(guān)重要。

法瑞希說：“我們無法使用地面上的望遠(yuǎn)鏡來精確測量來自這些物體的紅外光的量，而斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡讓我們大開眼界。”

為了支持受污染白矮星的新“塵盤”說，朱克曼及其同事于2007年發(fā)表了有關(guān)白矮星大氣的觀測資料，其中有17種元素，這些元素與地月系統(tǒng)中的情況類似。（加州大學(xué)洛杉磯分校已故教授邁克爾·朱拉為研究受污染白矮星做出了重要貢獻，他是該團隊的一分子。）這進一步證明至少有一個小型巖石體，甚至是一顆行星，已經(jīng)被一顆白矮星的引力撕裂。科學(xué)家現(xiàn)在普遍認(rèn)為，一顆光譜中有重元素的白矮星可能至少有一個碎石帶，這是劇烈碰撞而未形成行星的殘余天體，而且很可能至少有一顆大行星。

所以。碰巧漂浮在星際介質(zhì)中的重元素不能解釋觀測結(jié)果。朱克曼說：“在范·馬南的發(fā)現(xiàn)過了大約90年后，天文學(xué)家說，‘哇，這種星際吸積模型不可能是正確的。”

追蹤光譜

受朱克曼的啟發(fā)，法瑞希迷戀上了這個念頭：有人于1917年拍攝到了有關(guān)系外行星的首個證據(jù)，而且這個觀察記錄一定還在。他說：“我現(xiàn)在瞄上了這個問題，我決不會放過。”

法瑞希求助于卡內(nèi)基天文臺，因為卡內(nèi)基天文臺擁有威爾遜山望遠(yuǎn)鏡并且仍保存著這些望遠(yuǎn)鏡拍到的數(shù)據(jù)檔案?？▋?nèi)基天文臺臺長約翰·穆爾凱依讓志愿者丹·科恩去查找該資料?？贫靼褭n案翻了個遍，兩天之后，穆爾凱依給法瑞希發(fā)送了該光譜的一張圖像。

法瑞希稱：“坦率地說，我不能說自己感到震驚，但是這簡直是一個驚喜。我看到了我想找的證據(jù)，連肉眼都能看得見，我不由自主地跳了起來?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/05/23/qkimagesfdtsfdts201803fdts20180307-10-l.jpg"/>

法瑞希期望的范馬南恒星光譜就在一個小小的檔案盒里，上面有手寫的日期“1917年10月24日”和一個現(xiàn)代的黃色標(biāo)簽：“可以算是一顆系外行星的第一次記錄?！?/p>

卡內(nèi)基歷史委員會主席、天文學(xué)家辛西婭·亨特將玻璃底板從封袋中取出，放在一臺已經(jīng)打開的觀圖儀上。頻譜本身只有0.4厘米多一點。

乍看起來，這個底片似乎并不起眼，但法瑞?？吹絻蓚€明顯的“尖牙”，表示這是光譜中下跌的深谷。在他看來，這就是確鑿的證據(jù)：來自同一個鈣離子的兩條吸收線，這意味著白矮星光球?qū)又杏兄卦卮嬖冢砻魉赡苤辽儆幸活w外行星。2016年，他在《新天文學(xué)評論》上發(fā)文討論了這個問題。

系外行星及碎石盤

科學(xué)家一直認(rèn)為，巨行星的引力可能會阻止空間的碎片帶，特別是在年輕的行星系統(tǒng)中。最近的一項研究表明，具有塵埃和碎片的年輕恒星比沒有塵盤的恒星更有可能在遠(yuǎn)離母星的地方擁有繞行的巨行星。

白矮星不是年輕的恒星；相反，當(dāng)一顆中低質(zhì)量的恒星已經(jīng)燃盡其內(nèi)部所有的燃料時，它就形成了。但原理是一樣的：系外巨行星的引力可以將小型巖石體引入白矮星。

太陽將在大約50億年后變成一個紅色巨星，它會膨脹很多，甚至吃掉地球，然后甩掉外層，變成一顆白矮星。到那時，木星的巨大引力可能會對小行星帶造成更大的破壞性，將物體拋向此時更加昏暗的太陽。范馬南星的重元素就屬于這種情況。

到目前為止，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡還沒有在范馬南星的周圍發(fā)現(xiàn)任何行星。事實上，迄今仍然沒有有系外行星環(huán)繞白矮星運行的確證，盡管科學(xué)家相信，有一顆白矮星確實擁有一顆巨行星。包括朱克曼在內(nèi)的科學(xué)家利用夏威夷的凱克天文臺，發(fā)現(xiàn)一顆白矮星正在吞噬一個類似柯伊伯帶的天體。

科學(xué)家仍在探索被污染的白矮星，并尋找它們可能擁有的系外行星。我們知道的所有白矮星中約有30%被污染，但它們的碎片更難發(fā)現(xiàn)。汝拉提出，隨著大量小行星進入并與碎石碰撞，塵?？赡軙D(zhuǎn)化為氣體，而氣體的紅外信號沒有塵埃的紅外信號那么容易被檢測到。

法瑞希對他在威爾遜山檔案館的偵探工作感到非常激動。2016年，他在一篇關(guān)于被污染白矮星的評論中描述了這一歷史發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為白矮星是“外行星系統(tǒng)研究中引人注目的目標(biāo)”。

誰曉得天文臺偉大的檔案中還有哪些被塵封或遺忘的寶藏正等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，那些觀天的記錄蘊藏著豐富的宇宙信息。當(dāng)然，這些線索還得靠那些富有好奇心并且能夠提出正確問題的人才能找到。

法瑞希說：“這是個人與數(shù)據(jù)的互動，可以真正激勵我們傾力探索我們提出的問題?！?/p>