□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

南門二系統(tǒng)中一顆丟失的行星的故事

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計(jì)劃學(xué)者。

作為一名在恒星和行星領(lǐng)域工作的天文學(xué)家，我時(shí)刻關(guān)注著有關(guān)遙遠(yuǎn)的系外行星的最新發(fā)現(xiàn)。不久前網(wǎng)上出現(xiàn)了一連串這樣的報(bào)道：在我們太陽系的邊緣地區(qū)，可能發(fā)現(xiàn)了一顆新行星或者甚至是褐矮星。這讓我感到非常驚訝。我對這些報(bào)道有點(diǎn)懷疑，就去找了那篇引出它們的科學(xué)論文。

讓我把發(fā)生的事情簡單概括一下。幾年前，人們發(fā)現(xiàn)了一顆繞著我們的鄰居——南門二（半人馬座α）系統(tǒng)公轉(zhuǎn)的行星。在這一發(fā)現(xiàn)公布之后，天文學(xué)家們試圖對其做出獨(dú)立的觀測，卻忽然找不到它了。取而代之的是，他們在視野里發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)、有可能是我們太陽系成員的暗弱天體。人們只測出了這個(gè)奇怪天體的亮度、顏色和自行，卻不知道它的距離。它有可能是在冥王星軌道之外的一顆與冥王星相似的天體，或者是更遠(yuǎn)距離上的一顆跟地球差不多大的行星，甚至是遠(yuǎn)得多的距離上的一顆褐矮星。盡管研究者對這些數(shù)據(jù)的解釋十分謹(jǐn)慎，互聯(lián)網(wǎng)上卻炸開了鍋。下面，我就把這個(gè)復(fù)雜的故事的來龍去脈給讀者做一番說明。

我們鄰居那兒有顆行星！

太陽是銀河系眾多恒星當(dāng)中的一顆。在離我們約4光年遠(yuǎn)的地方，有離我們最近的另一顆恒星——比鄰星，它和另外兩顆星南門二A（半人馬座αA）、南門二B（半人馬座αB）共同組成一個(gè)三合星系統(tǒng)，稱為南門二系統(tǒng)。其中，南門二A和B兩顆星相互繞轉(zhuǎn)的周期大約是80年，比鄰星則在離南門二A/B很遠(yuǎn)的軌道上運(yùn)行，周期在數(shù)十萬年。比鄰星是一顆非常暗弱的紅色恒星，用肉眼并不能看到，而另外兩顆星卻是明亮恒星，跟太陽多少是相似的。由于離我們很近，來自全世界的好多課題組都把它們當(dāng)作搜尋系外行星的目標(biāo)。

目前已知的絕大多數(shù)系外行星，不是通過凌星法，就是通過視向速度法發(fā)現(xiàn)的。如果一顆行星的軌道指向合適，使得它剛好能運(yùn)行到母恒星的前面，并且遮住恒星發(fā)出的一部分光——也就是發(fā)生“凌星”，我們就可以使用凌星法：對恒星的亮度進(jìn)行長期的監(jiān)測，將幫助我們發(fā)現(xiàn)行星的蹤跡，并且推算出行星的大小和軌道信息。當(dāng)然，這種方法只有在行星剛好能夠周期性地從恒星前面經(jīng)過的特殊情況下才有用。而在大多數(shù)情況下，天文學(xué)家使用視向速度法來發(fā)現(xiàn)系外行星。當(dāng)一顆行星繞恒星公轉(zhuǎn)時(shí)，它們之間的引力也會(huì)使恒星產(chǎn)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。由于質(zhì)量很大，恒星只是輕微地“搖擺”。我們雖然根本觀測不到那顆暗弱的行星，對恒星卻能進(jìn)行非常細(xì)致的觀測。事實(shí)上，我們可以通過恒星的光譜非常精確地測量它周期性的運(yùn)動(dòng)（擺動(dòng)）。通過分析擺動(dòng)的周期和幅度，我們就能夠知道行星的存在，并且測出它的軌道周期和質(zhì)量。

我們最近的鄰居——南門二（半人馬座α）三星系統(tǒng)，由南門二A、南門二B和半人馬座比鄰星（Proxim a Centauri）組成。左邊的亮星是南門二A/ B。它實(shí)際上是這兩顆星重疊在一起的影像，因?yàn)閮深w星靠得實(shí)在太近了，所以在本圖中并不能分辨開。比鄰星太過暗弱，在圖中無法看到，它所在的位置由紅圈標(biāo)出。右邊的亮星是馬腹一（半人馬座β），它與南門二系統(tǒng)無關(guān)。圖片來源：維基百科（Skatebiker攝，Canon 85m m f/1.8，11張疊加，每張曝光30秒）

面對南門二A/B，人們把這兩種方法都用上了。雖然利用凌星法沒有發(fā)現(xiàn)行星存在的證據(jù)，但視向速度法卻給出了值得注意的結(jié)果：看來有一顆行星在繞南門二B公轉(zhuǎn)。歐洲的一個(gè)天文課題組使用安裝在智利拉西亞天文臺(tái)（La Silla）的HARPS光譜儀做出了這一發(fā)現(xiàn)。據(jù)說這顆行星的軌道周期為3.24天，質(zhì)量與地球差不多。這結(jié)果太重要了——一顆類似地球的行星繞著離我們最近的另一顆恒星在進(jìn)行著公轉(zhuǎn)！

“高精度視向速度法行星搜尋者”（HARPS）是一臺(tái)位于智利的高精度光譜儀。它是世界上能用于視向速度法搜尋系外行星的最精密的儀器之一，目前已經(jīng)探測到超過130顆系外行星。這臺(tái)儀器由米歇爾?邁爾（Michel Mayor）監(jiān)督制造，正是他發(fā)現(xiàn)了第一顆繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的系外行星。

研究者將這顆新行星命名為南門二Bb（半人馬座αBb），報(bào)告這一發(fā)現(xiàn)的論文發(fā)表在2012年10月16日的《自然》雜志上，第一作者是葡萄牙波爾圖大學(xué)的研究生沙維爾?杜穆斯克（Xavier Dumusque）。他和來自世界各國的同事將這稱作一個(gè)大發(fā)現(xiàn)——一顆地球大小的行星繞著一顆太陽大小的恒星運(yùn)行，而這顆恒星是離我們最近的鄰居。不過，這顆行星并不適合生命生存。如此短的軌道周期意味著軌道半徑非常之小，行星的表面溫度將高達(dá)1200攝氏度。這樣高的溫度足以融化很多巖石，因此可以說，南門二Bb是一個(gè)“熔巖世界”。

本圖來自據(jù)稱從中發(fā)現(xiàn)了行星南門二Bb的視向速度的測量結(jié)果，發(fā)表在著名的《自然》期刊上。橫軸表示時(shí)間，縱軸表示南門二B的視向速度。文章作者正是基于這張圖得出結(jié)論：有一顆行星在繞這顆恒星公轉(zhuǎn)。不過這里應(yīng)當(dāng)指出兩個(gè)問題。首先，紅色圓點(diǎn)并不是測量數(shù)據(jù)，而是眾多不同數(shù)據(jù)（綠點(diǎn)）的平均值；其次，綠點(diǎn)本身也不是直接測量的數(shù)據(jù)，它們是經(jīng)過大量的校正之后得到的數(shù)值。雖然發(fā)現(xiàn)一顆鄰近的系外行星候選者確實(shí)算是很大的發(fā)現(xiàn)，但是這些數(shù)據(jù)也表明，要確定南門二Bb是否真的存在，進(jìn)一步的獨(dú)立觀測是非常必要的。圖片來源：Dumusque et al, 2012, Nature, 491, 210

本圖是一位藝術(shù)家繪制的南門二B b想象圖，在新行星宣布發(fā)現(xiàn)后發(fā)表于《新科學(xué)家》（New Scientist）雜志上。由于軌道周期很短（只有3.24天）而母恒星是類太陽的南門二B，所以這顆行星的表面溫度高得足以使巖石熔化。早在該發(fā)現(xiàn)剛剛公布的時(shí)候，天文學(xué)家就開始懷疑這顆行星是否真的存在了，這篇《新科學(xué)家》文章的標(biāo)題正是：《第一顆繞最近恒星運(yùn)行的地球質(zhì)量行星也許只是幻覺》。圖片來源：New Scientist (21O ctober 2015)

那顆行星去哪兒了？它真的存在嗎？

不過這顆新發(fā)現(xiàn)的南門二Bb，其實(shí)從一開始就有點(diǎn)問題。由于它離我們很近，很多天文學(xué)家立刻著手觀測，以確認(rèn)這個(gè)發(fā)現(xiàn)。而且，另外一些手里有之前幾年視向速度數(shù)據(jù)的天文學(xué)家，也開始重新分析他們的老數(shù)據(jù)，希望能找出這顆行星的蹤跡。然而，沒有人能在自己的數(shù)據(jù)里找到它。應(yīng)該指出，杜穆斯克那時(shí)使用的HARPS設(shè)備是世界上最靈敏的。盡管如此，杜穆斯克在論文中得出的結(jié)論（Dumusque et al. 2012）還是受到了質(zhì)疑。天文學(xué)家希望看到更多的證據(jù)。

為了讓大家理解這有多困難，我們不妨先看一看用視向速度法探測系外行星的過程。

首先，需要精確測量恒星南門二B的視向速度。這本身就夠有挑戰(zhàn)性的了，但是讓我們假設(shè)這個(gè)第一步已經(jīng)做好。為了看出恒星的擺動(dòng)，就必須多次測量它的視向速度：在很長一段時(shí)間里幾百次、最好是幾千次的精確測量。把這些數(shù)據(jù)按時(shí)間順序排好，就得到了恒星視向速度隨時(shí)間的變化。在南門二B的實(shí)際分析中還遇到了一些困難。由于行星引力的牽引，恒星會(huì)表現(xiàn)出微小的擺動(dòng)，但來自它姊妹星——南門二A的引力，會(huì)讓它產(chǎn)生更大的搖擺。因此，必須把這一影響從視向速度的測量結(jié)果中精確地排除出去。

其次，恒星的表面一直在變化，因此，它本身也會(huì)顯出視向速度的變化。導(dǎo)致視向速度的測量值產(chǎn)生變化的過程包括：光球?qū)用琢＝M織（恒星表面產(chǎn)生的對流泡，就像煮沸的水在鍋中翻滾一樣）、恒星自轉(zhuǎn)以及由明亮的伴星南門二A帶來的對于測光的污染。杜穆斯克的課題組從他們的測量結(jié)果中排除了所有這些因素產(chǎn)生的影響，最后看到剩下一個(gè)非常微弱的信號，他們認(rèn)為這源于一顆地球大小的行星。這一（被認(rèn)為是來自行星的）速度變化的測量值大約是0.5米/秒。換句話說，研究者們以1.8千米/小時(shí)的精度測量了一顆4光年遠(yuǎn)的恒星的運(yùn)動(dòng)速度。我走路的速度都比這要快多了！

考慮到這一模型中存在的不確定性所帶來的噪聲，一些著名天文學(xué)家給出了警告：也許南門二Bb根本就不存在！阿爾提?哈策斯（Artie Hatzes）是美國的系外行星觀測者，他尊重HARPS測量數(shù)據(jù)本身的精度，但認(rèn)為研究者用來校正數(shù)據(jù)、排除其他因素對視向速度的影響的模型并不可靠，所以他對這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常懷疑。

德布拉?費(fèi)舍（Debra Fischer）作為全世界系外行星領(lǐng)域的頂尖專家之一，對此則要樂觀得多。她相信HARPS，同時(shí)也尊重研究者校正數(shù)據(jù)所用的模型。不過她提醒說，杜穆斯克的這個(gè)方法是第一次使用。雖然她傾向于相信其結(jié)果，但也表示在做出任何結(jié)論之前，來自其他課題組的獨(dú)立測量都是絕對必要的。

不出所料，全世界的天文學(xué)家開始為重新發(fā)現(xiàn)南門二Bb而奮戰(zhàn)。不幸的是，世界上絕大多數(shù)光譜儀都沒有HARPS那樣高的精度，而且，用視向速度法探測系外行星是要花年頭的。凌星法依然一無所獲，也就是說，如果南門二Bb真的存在，它的軌道并不經(jīng)過它的母恒星南門二B的（正）前方。

2016年初，一個(gè)來自英國牛津大學(xué)的課題組（Rajpaul, Aigrain & Roberts, 2016）發(fā)現(xiàn)，南門二Bb甚至有可能并不存在。他們非常仔細(xì)地重新分析了杜穆斯克組的全部數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)那個(gè)3.24天的周期性信號幾乎肯定是人為引起的：在選擇觀測南門二B的時(shí)間時(shí)，不幸地額外引入了這樣一個(gè)周期。發(fā)生這種情況的概率非常小——小于千分之一。對此，拉伊保羅等人的文章（Rajpaul et al. 2016）評論說，杜穆斯克課題組的工作做得非常精確，只是他們這次真的太不走運(yùn)了。

幸運(yùn)地發(fā)現(xiàn)了太陽系內(nèi)的新天體？還是沒有？

就南門二系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)新行星進(jìn)行的論戰(zhàn)，在去年甚至引發(fā)了新的爭論。一個(gè)由瑞典和墨西哥天文學(xué)家組成的課題組對南門二B和它附近的天空進(jìn)行了精細(xì)地觀測，并在2015年12月發(fā)表了他們的結(jié)果（Liseau et al. 2015）。他們檢查了剛剛釋放的ALMA（阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波射電陣，位于智利）在南門二B鄰近天區(qū)的數(shù)據(jù)，宣稱他們可能發(fā)現(xiàn)了我們太陽系中的另一顆行星。

他們在2014年和2015年用ALMA對南門二系統(tǒng)進(jìn)行觀測的時(shí)候，注意到一個(gè)穿過這一天區(qū)的快速移動(dòng)的天體。從這個(gè)神秘天體的速度、亮度和顏色判斷，他們認(rèn)為它不可能是恒星，也不可能是屬于南門二系統(tǒng)的天體。因此他們認(rèn)為，這是屬于我們太陽系的新天體，最有可能是處在太陽系外圍的海王星外天體（也就是類冥王星的天體），到太陽的距離在冥王星的5到500倍之間。

正如讀者所看到的，距離測得并不那么準(zhǔn)。事實(shí)上，我們根本就不知道它的距離：我們只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)做個(gè)估計(jì)，可能性還很多。我們在天空中看到一個(gè)具有某個(gè)亮度、以某個(gè)角速度劃過的天體，它有可能是離我們很近的小天體，在空間中運(yùn)動(dòng)得也不快；或者，它是一個(gè)遙遠(yuǎn)的、巨大的天體，而且速度很快。它的成分也會(huì)對我們的判斷有影響：遠(yuǎn)處的白色冰球要比近處的漆黑巖石塊反射更多的陽光，看起來也更亮。

里索等人的論文（Liseau et al. 2015）中使用的阿塔卡瑪大型毫米/亞毫米波射電陣（ALMA）對于南門二系統(tǒng)的觀測結(jié)果。該圖顯示了兩顆恒星南門二A與南門二B，以及一個(gè)神秘的移動(dòng)天體，在圖中以“天體U”標(biāo)出，而在論文正文中則稱為“南門二D（Alpha Cen D）”。左圖攝于2014年夏天，右圖攝于一年后。由于我們不知道天體U的距離，它可能是一個(gè)我們附近的暗弱天體（類似冥王星），也可能是太陽系外圍一顆大質(zhì)量的“超級地球”。圖片來源：Liseau et al., 2015, arX iv:1512.02652

里索（Liseau）等人在他們的論文里提到了這些可能性。理論上說，這個(gè)天體可能是100天文單位處的與冥王星相似的天體，也可能是稍遠(yuǎn)地方的“超級地球”，或者甚至是20000天文單位之外的一顆冷卻的褐矮星。換句話說，我們只知道有個(gè)什么東西，但不知道它到底是什么。

對此我同意里索等人（Liseau et al. 2015）謹(jǐn)慎的處理方式。他們以一種非常謹(jǐn)慎的方式，給出了所有的可能性。但是，互聯(lián)網(wǎng)上的言論卻往往不那么“小心”，諸如“太陽系行星家族再添新?。　敝惖拇髽?biāo)題立刻就上來了。所以我建議大家對互聯(lián)網(wǎng)上看到的東西要保持謹(jǐn)慎。畢竟誰都能在上面寫下各種內(nèi)容，而這些網(wǎng)頁的作者并不一定是天文學(xué)領(lǐng)域的專家。

我們能從中學(xué)到什么？

天文學(xué)是一門復(fù)雜的科學(xué)。跟在所有其他科學(xué)領(lǐng)域中一樣，經(jīng)驗(yàn)（即觀測）需要得到重復(fù)的驗(yàn)證，才能得出有力的結(jié)論。南門二Bb也許真的存在，也許不。里索等人發(fā)現(xiàn)的神秘天體也許只是冥王星的一個(gè)小兄弟，但也可能是更激動(dòng)人心的東西。我們也許很快就能找出答案，因?yàn)橛衼碜允澜绺鞯氐奶煳膶W(xué)家在用自己的望遠(yuǎn)鏡為之奮斗。這就是科學(xué)工作的方式?？茖W(xué)家也是人，他們有時(shí)也會(huì)犯錯(cuò)。因此，我們要在一起工作——而作為結(jié)果，我們的共同知識不斷地增長，會(huì)為整個(gè)人類做出貢獻(xiàn)。