文 / 葉楠

早期研究與發(fā)現(xiàn)

自古以來，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的支持者，他還提出其他恒星與太陽是類似的，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)語中也提到過類似的觀點(diǎn)。

系外行星是指圍繞除太陽外其他恒星公轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)。我們的太陽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數(shù)星系中的一個(gè)。如果我們能夠探測數(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，人類對于系外行星的探尋究竟走到了哪一步呢？

探測系外行星的困難

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，只能反射太陽光才有可能被我們看到。太陽系內(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，這在很長時(shí)間以來簡直就是天方夜譚。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到一些系外行星。

天狼星B的發(fā)現(xiàn)

1844年，德國天文學(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·雅各布對蛇夫座70進(jìn)行了長時(shí)間的觀測。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)并沒有觀測證實(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)。美國天文學(xué)家愛德華·巴納德于1916年測量出它的自行速度為每年10.3角秒，或者說每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年就開始對巴納德星進(jìn)行觀測，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，與之沒有任何關(guān)系。圖為巴納德星與太陽的大小對比示意圖。

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，都可以通過光譜測量方法測量恒星譜線的多普勒效應(yīng)來確定它的運(yùn)動(dòng)情況。這種探測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)。不過受限于當(dāng)時(shí)的觀測設(shè)備，他們對這個(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，后面加入小寫字母，從字母b開始往后排。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?？财沼?995年去世，同年飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)。雖然坎普并沒有直接發(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。