圖解系外行星發(fā)現(xiàn)史（1）

文 / 葉楠

早期研究與發(fā)現(xiàn)

自古以來(lái)，地球是人類賴以生存和繁衍生息的唯一家園。隨著文明的發(fā)展，我們逐漸發(fā)現(xiàn)在地球以外還有其他的行星，這些行星都圍繞一顆名為太陽(yáng)的恒星不停旋轉(zhuǎn)。一個(gè)世紀(jì)以前，我們認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)只是銀河系內(nèi)的一顆普通恒星。整個(gè)銀河系包括多至4000億顆恒星，在銀河系之外還有無(wú)數(shù)的河外星系。在其他恒星附近是否也有行星圍繞它旋轉(zhuǎn)？是否也有類似地球的行星？在那些行星上是否也有生命存在？這些想法一旦產(chǎn)生，便吸引著一代又一代人為之著迷，為之探索。16世紀(jì)，意大利哲學(xué)家布魯諾不僅是哥白尼日心說(shuō)的支持者，他還提出其他恒星與太陽(yáng)是類似的，在它們周圍也有行星相伴的觀點(diǎn)。18世紀(jì)，牛頓在他的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》的結(jié)語(yǔ)中也提到過(guò)類似的觀點(diǎn)。

系外行星是指圍繞除太陽(yáng)外其他恒星公轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)。我們的太陽(yáng)在銀河系中是一顆普通的中等質(zhì)量恒星，在它的周圍有8顆大行星、5顆矮行星以及上百萬(wàn)顆小行星。如果行星是普遍存在的，那么銀河系中數(shù)千億顆恒星系統(tǒng)中將會(huì)存在數(shù)量更多的行星。即使一個(gè)恒星系統(tǒng)中只擁有一顆行星，那整個(gè)銀河系也將擁有4000億顆行星，何況銀河系也只是宇宙中無(wú)數(shù)星系中的一個(gè)。如果我們能夠探測(cè)數(shù)量足夠多的系外行星，相信總有一天能夠找到適宜人類生存的另一個(gè)地球。迄今為止，人類對(duì)于系外行星的探尋究竟走到了哪一步呢？

探測(cè)系外行星的困難

1846年，天文學(xué)家加勒根據(jù)勒維耶的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)系內(nèi)第8顆大行星海王星。海王星最亮?xí)r約7.8等，暗于人眼的目視星等極限6等，只能借助望遠(yuǎn)鏡才能看到。這也是后續(xù)鬩神星、鳥(niǎo)神星、妊神星等矮行星直到21世紀(jì)后才被發(fā)現(xiàn)的根本原因。行星本身是不發(fā)光的，只能反射太陽(yáng)光才有可能被我們看到。太陽(yáng)系內(nèi)的行星都如此暗弱，而其他恒星距離我們最近也在幾光年之外，想要在一顆明亮的恒星周圍去發(fā)現(xiàn)一顆要小得多同時(shí)也暗得多的行星，這在很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)簡(jiǎn)直就是天方夜譚。上圖中間位置的圓形黑洞是被日冕儀遮光板擋住的恒星，其右側(cè)是系外行星PDS 70b。恒星的光遠(yuǎn)比行星強(qiáng)得多，只有依靠這種遮擋恒星的方法才有可能直接成像觀測(cè)到一些系外行星。

天狼星B的發(fā)現(xiàn)

1844年，德國(guó)天文學(xué)家貝塞爾發(fā)現(xiàn)天狼星的移動(dòng)路徑有所變化，呈波浪形的曲線，由此推導(dǎo)出其應(yīng)該還有一顆未被發(fā)現(xiàn)的伴星。1862年，美國(guó)天文學(xué)家克拉克用他自制的折射天文望遠(yuǎn)鏡最先看到了這顆伴星。直到1915年，美國(guó)天文學(xué)家亞當(dāng)斯利用威爾遜山天文臺(tái)的一臺(tái)口徑1.5米的望遠(yuǎn)鏡才最終確認(rèn)了天狼星B這顆白矮星的發(fā)現(xiàn)。圖為哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的天狼星（中間的亮星）及天狼星B（左下角星芒旁的小亮點(diǎn)）。之所以在這里介紹天狼星B是因?yàn)檫@與早期系外行星的探測(cè)方法有諸多相同之處。

尚未證實(shí)的系外行星

在海王星剛剛發(fā)現(xiàn)后不久，就有天文學(xué)家將目光移向了其他恒星周圍。在印度馬德拉斯天文臺(tái)工作的天文學(xué)家威廉·雅各布對(duì)蛇夫座70進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)。蛇夫座70是由兩顆橙色恒星組成的雙星系統(tǒng)。他利用了和貝塞爾發(fā)現(xiàn)天狼星B同樣的辦法，在1955年發(fā)現(xiàn)蛇夫座70這兩顆恒星的運(yùn)行軌跡出現(xiàn)了異常，懷疑在它們附近還有另一顆看不見(jiàn)的天體。1943年，羅伊爾和霍爾伯格聲稱計(jì)算出這個(gè)天體的質(zhì)量只有太陽(yáng)質(zhì)量的千分之一，這個(gè)質(zhì)量意味著它并不是一顆恒星，而是一顆行星。但后續(xù)并沒(méi)有觀測(cè)證實(shí)他們的計(jì)算。2006年，麥克唐納天文臺(tái)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)蛇夫座70進(jìn)行了更為細(xì)致的研究，并計(jì)算出如果存在系外行星的話，它的質(zhì)量范圍應(yīng)該在0.46～12.8倍木星質(zhì)量之間。圖為藝術(shù)家筆下對(duì)這個(gè)最早被懷疑為系外行星的天體描繪的圖像。

巴納德星的行星

巴納德星是一顆質(zhì)量非常小的紅矮星，是僅次于南門(mén)二距離我們第二近的恒星系統(tǒng)，只有不到6光年遠(yuǎn)。美國(guó)天文學(xué)家愛(ài)德華·巴納德于1916年測(cè)量出它的自行速度為每年10.3角秒，或者說(shuō)每100年它可以在天球上走半個(gè)月亮的距離，是地球上能看到的自行速度最快的恒星。美籍荷裔天文學(xué)家彼得·范·坎普從1938年就開(kāi)始對(duì)巴納德星進(jìn)行觀測(cè)，他一直聲稱發(fā)現(xiàn)了巴納德星的軌道“擺動(dòng)”，并推算出巴納德星擁有兩顆行星。直到2018年，巴納德星附近真的發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星，但這顆行星的質(zhì)量遠(yuǎn)低于坎普的計(jì)算，與之沒(méi)有任何關(guān)系。圖為巴納德星與太陽(yáng)的大小對(duì)比示意圖。

少衛(wèi)增八的系外行星

當(dāng)一顆行星圍繞一顆恒星公轉(zhuǎn)，恒星同時(shí)也會(huì)圍繞兩者的質(zhì)心公轉(zhuǎn)。只要公轉(zhuǎn)軌道平面不是恰好垂直于我們的視線方向，都可以通過(guò)光譜測(cè)量方法測(cè)量恒星譜線的多普勒效應(yīng)來(lái)確定它的運(yùn)動(dòng)情況。這種探測(cè)系外行星的方法稱為徑向速度法，是2008年之前發(fā)現(xiàn)系外行星的主要方式。

1988年，加拿大天文學(xué)家布魯斯·坎貝爾、G·沃克和斯蒂芬森·楊宣布他們利用徑向速度法發(fā)現(xiàn)有一顆行星圍繞少衛(wèi)增八公轉(zhuǎn)。不過(guò)受限于當(dāng)時(shí)的觀測(cè)設(shè)備，他們對(duì)這個(gè)結(jié)果也保持謹(jǐn)慎態(tài)度。其他天文學(xué)家傾向于認(rèn)為這顆未知天體更可能是一顆褐矮星，褐矮星是質(zhì)量介于恒星和行星之間的一類天體。直到2003年，隨著觀測(cè)設(shè)備的改進(jìn)，證明了最初的結(jié)論是正確的，這確實(shí)是一顆系外行星，后被命名為少衛(wèi)增八b或仙王座γb。圖為它的藝術(shù)想象圖，這是一顆大號(hào)的木星，質(zhì)量是木星的1.6倍。系外行星的命名是以恒星名為前綴，后面加入小寫(xiě)字母，從字母b開(kāi)始往后排。遺憾的是由于確認(rèn)時(shí)間較晚，少衛(wèi)增八b并沒(méi)有成為人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星。

人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)系外行星系統(tǒng)

PSR B1257+12是一顆毫秒脈沖星，于1990年由阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)。中子星是宇宙中一類非常致密的天體，一顆典型的中子星質(zhì)量大約是太陽(yáng)的2倍，而直徑卻只有10千米。毫秒脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，PSR B1257+12的自轉(zhuǎn)周期為6.22毫秒。1992年，天文學(xué)家沃爾茲和弗雷爾發(fā)現(xiàn)有兩顆行星圍繞這顆脈沖星轉(zhuǎn)動(dòng)，它們的質(zhì)量分別是地球的4.3倍和3.9倍，公轉(zhuǎn)周期分別是67天和98天。之后不久又發(fā)現(xiàn)了這個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的第三顆行星，這顆行星質(zhì)量只有月球的2倍，公轉(zhuǎn)周期25天。圖為模擬在距離脈沖星最遠(yuǎn)那顆行星上看到的場(chǎng)景。

脈沖星、白矮星與系外行星

位于天蝎座方向的M4是一個(gè)年齡高達(dá)127億年的球狀星團(tuán)，在其核心附近有一個(gè)非常奇特的雙星系統(tǒng)，由一顆脈沖星PSR B1620-26和一顆白矮星WD B1620-26組成。上世紀(jì)90年代初，由天文學(xué)家唐納德·貝克領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在研究這個(gè)雙星系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)它的譜線多普勒位移出現(xiàn)異常，這只有在第三個(gè)天體存在時(shí)才能予以解釋。1993年，天文學(xué)家終于確認(rèn)了這顆系外行星的存在，這是一顆質(zhì)量為2.5倍木星質(zhì)量的超大行星。這顆巨大的氣態(tài)行星環(huán)繞著由脈沖星和白矮星組成的雙星系統(tǒng)運(yùn)行，周期約為100年。圖為這個(gè)行星系統(tǒng)的藝術(shù)想象圖。

飛馬座51b

飛馬座51是位于飛馬座方向的一顆與太陽(yáng)類似的黃色恒星，距離我們約50光年，年齡約70億年，它的質(zhì)量、半徑和光度分別是太陽(yáng)的1.1倍、1.2倍和1.3倍。1995年10月6日，瑞士天文學(xué)家邁耶和奎羅茲宣布利用法國(guó)上普羅旺斯天文臺(tái)的攝譜儀，根據(jù)飛馬座51的譜線攝動(dòng)發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞其運(yùn)行的系外行星飛馬座51b。10月12日，美國(guó)天文學(xué)家馬西和巴特勒確認(rèn)了這個(gè)發(fā)現(xiàn)。飛馬座51b的質(zhì)量下限是0.47倍木星質(zhì)量，軌道半徑為0.05倍日地距離，公轉(zhuǎn)周期4.2天。這是人類首次在一顆正常恒星周圍發(fā)現(xiàn)系外行星，這一發(fā)現(xiàn)也獲得了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖為飛馬座51b與其母恒星的藝術(shù)想象圖。

預(yù)言巴納德星擁有系外行星的坎普畢生都堅(jiān)信在其他恒星系統(tǒng)中必然有系外行星的存在。坎普于1995年去世，同年飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)。雖然坎普并沒(méi)有直接發(fā)現(xiàn)任何系外行星，但他堅(jiān)持的理念卻在他離世后不斷被一個(gè)又一個(gè)發(fā)現(xiàn)所證實(shí)。除了直接成像法和徑向速度法之外，新的觀測(cè)手段層出不窮，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，人類發(fā)現(xiàn)系外行星的步伐越走越快。