首颗系外行星的发现故事:“飞马座51”摆动立大功

2016/11/2 10:44:39 来源:新浪科技 作者:彬彬 责编:书生

北京时间11月2日消息,据国外媒体报道,1995年10月,两位瑞士天文学家宣称发现了首颗系外行星“飞马座51b”。这一发现成为人类历史上最重要的事件之一,该发现证明了太阳系并不孤单,激起了人类对系外生命的思考以及对人类在宇宙中的地位有了重新认识。20多年来,天文学家们发现了数千个系外世界,让人们看到了发现系外生命的希望。

1995年1月一个寒冷的夜晚,法国上普罗旺斯天文台所在地区下起了大雨。一位名叫迪迪埃-奎洛兹的天文学研究生本打算进行天文观测。但是,由于天气不够配合,奎洛兹不得不呆在实验室中利用计算机分析数据。数据显示,一颗名为“飞马座51”的明亮恒星正在进行轻微的摆动,而这种摆动正是奎洛兹一直希望看到的现象,因为这意味着该恒星周围可能存在一颗行星。在太阳之外的其它恒星周围发现一颗行星可能算是人类历史上最重要事件之一。

奎洛兹的发现被证明是正确的。随着越来越多数据和证据的出现,他最终意识到这种摆动确实是由环绕恒星运行的行星引力所引起的。奎洛兹表示,“当时,我是世界唯一知道我找到了一颗行星。”美国加州大学天文学家史蒂夫-沃格特表示,“这一发现创造了历史,也惊动整个天文学领域。”

在开普勒太空望远镜的帮助下,天文学家们发现了数千颗行星。据估计,我们的银河中充满了类地行星,可能有上千亿颗与地球大小相当、存在液态水的行星,这些世界可能有生命的存在。2016年8月,天文学家报告称,在距离我们最近的恒星半人马座比邻星周围发现了一颗类地行星。在20多年前,当奎洛兹和他的导师、瑞士科学家米歇尔-梅杰宣称发现首颗系外行星“飞马座51b”时,没人会想到20多年后的今天天文学会取得如此大的发展。在当时,奎洛兹和梅杰面对的并不是掌声,而是质疑。

其实,奎洛兹和梅杰并不算是真正最早发现系外行星的人。早在1992年,美国天文学家亚历克斯-沃尔兹森和戴尔-弗雷曾经发现过两颗行星。不过,这两颗行星并不是环绕像太阳这样的恒星运行,而是在环绕一颗死亡的恒星运行,这样的恒星也被称为脉冲星,即快速旋转同时又向宇宙中散发强大辐射的恒星尸体。如此怪异的行星系统并不适宜生命的存在。沃格特介绍说,“感觉它们根本不像行星,因为那里的环境有如地狱一般。”天文学家也将这些环绕脉冲星运行的行星看作是宇宙异类,有意义但并不具开创性。

在类似太阳的正常恒星周围寻找行星似乎很困难。但是,自1986年起,美国旧金山州立大学天文学家保罗-巴特勒和杰夫-马西就已经开始搜索系外行星。他们也确实发现了奎洛兹所发现的恒星摆动现象。比如,太阳系最大的行星木星会导致太阳以大约每小时35公里的速度位移。巴特勒介绍说,在上世纪80年代之前,所有人测量的速度都没有低于每小时1000公里。为了探测这种恒星摆动,天文学家们必须要测量恒星的光谱,以及星光是如何散射成组成波长。当恒星靠近或远离我们时,其光线的波长会相应地变短或变长。这种细微的变化被称为“多普勒频移”。为了能够找到行星,巴特勒等人对所有不确定性进行了估测。“我们的目标就是发现行星。”

突破出现于1980年代初。两位加拿大天文学家布鲁斯-坎贝尔和戈登-沃克尔采用一种最先进的技术,测量到恒星摆动的速度低达每小时54公里。这种灵敏度本可以帮助他们远早于奎洛兹之前发现首颗系外行星。但是,布鲁斯-坎贝尔和戈登-沃克尔不够幸运。为了达到一定的精度和灵敏度,布鲁斯-坎贝尔和戈登-沃克尔在望远镜中放了一个盛满氟化氢气体的容器。这种气体可以吸收特定波长的星光,从而形成新的光谱。但是,任何温度的波动或其它失误都有可能影响气体及恒星的光谱。如果天文学家发现恒星光谱中的频移,那么他们可能得出这是多普勒频移。但是,有一个问题是,氟化氢是一种有毒气体。巴特勒介绍说,“如果皮肤上沾上氟化氢,它可能会烧坏你的神经细胞而且让你没有疼痛感,它甚至会腐蚀进你的骨头里。如果你不幸吸入氟化氢蒸汽,你可能当天就会死去。”巴特勒的解决方案是用碘气来替代。到1995年5月,他们所测得的速度已达到一个新记录,即每小时10公里。

然而,五个月后他们听到了来自欧洲的最新进展,有其他人发现了“飞马座51b”。梅杰用了数月时间才确信“飞马座51b”的存在。梅杰要求奎洛兹做更多的分析。如今在剑桥大学工作的奎洛兹表示,“当时我还是个学生。”他的论文设计的内容就是研究如何制造后来探测到“飞马座51b”的工具。保罗-巴特勒和杰夫-马西等人是利用现有仪器,而奎洛兹的设备则可以尽可能地隔离星光。奎洛兹和梅杰利用光纤来保证光线的纯度和稳定性,将天文望远镜中无法预测的环境中的星光引导进入一个温控设备测量其光谱。如今,这样的技术仍然是通过探测恒星摆动来搜寻行星的重要手段。

奎洛兹和梅杰在对观测数据进行反复分析同时,他们的保密工作也做得非常好。直到1995年10月6日,他们才在意大利佛罗伦萨的一次天文学会议上充满自信地宣布自己的发现。巴特勒表示,“这样的发现让我们震惊。”当时,大多数天文学家均持怀疑态度。此前,有许多人都声称发现了系外行星,但最终都被证明是错误的。

此外,“飞马座51b”本身也有问题。这颗行星像木星一样,是一个大气球。怪异的是,它的轨道周期只有四天时间。而且,它与主恒星的距离仅为水星与太阳距离的六分之一。这样的距离太过接近,导致其表面温度高达1000摄氏度。如此高的气温让其大气层膨胀到比木星还要大50%,虽然它的质量仅为木星的47%。因此,它也被称为“热木星”。“飞马座51b”的各种特点都与科学家对行星的认识相悖。

在太阳系中,像木星这样的巨型气体行星离太阳较远。这些行星含有气体、冰以及易挥发化合物,因为这些物质在距离太阳较近的较热环境中往往无法存在。因此,科学家一般认为只有像地球这样的小型岩质行星才有可能形成于太阳系内层,而巨型气体行星往往形成于太阳系外层。正是因为“飞马座51b”具有“热木星”的特点,科学家们才对其持怀疑态度。巴特勒表示,“当时人们的普遍观点是,所有行星系统都应该与我们的地球相类似。”

巧合的是,一周后,保罗-巴特勒和杰夫-马西也完成了一项为期四天的夜间观测任务。每个夜晚,他们都在观测指向“飞马座51”的天文望远镜。一回来,他们就立即对观测数据进行分析。巴特勒表示,“看到结果,我们震惊了。奎洛兹和梅杰是正确的。我们精确地匹配了他们的预言。”

沃格特当时并没有与保罗-巴特勒和杰夫-马西等人合作。但是,他也一直在关注这一发现。令他惊讶的是,那些数据正是他想要的,其实“飞马座51b”并不难发现。由于轨道周期很短,因此只需要数天时间积累数据就足以发现恒星的摆动。虽然巴特勒和马西一直在改进技术,坚持观测并积累数据长达8年时间,但他们不懂得利用计算机来分析数据。随着“飞马座51b”的发现,有人认为保罗-巴特勒和杰夫-马西可能随时发现新的行星,并开始为他们提供计算机工具。1995年新年前夜,他前往办公室分析一颗名为“处女座70”的恒星。他的计算机程序发现一颗比木星大七倍的行星,轨道周期为116天,其主恒星摆动速度为每小时1000公里以上。这种最明显的迹象表明,这是一颗行星。

在巴特勒等人发现一个又一个行星时,由梅杰带领的研究团队也一直在努力。他们之间的竞赛促成了数百颗行星的发现。在接下来的十年中,双方的竞争更加激烈。早期发现的行星大多数是像“飞马座51b”这样的“热木星”。由于这些行星体型巨大且太靠近主恒星,它们可以产生最有力的摆动,因此它们也最容易被发现。数年后,即使是最强烈的质疑者,也开始慢慢承认这些是真正的行星。

但是,这些行星是如何形成的呢?人们至今仍未搞清楚这一问题。一种最普遍的说法是类似木星那样的位移。这些行星往往距离主恒星较远,但由于与其它行星之间的万有引力,它们会慢慢向内移动。但是,2016年8月,美国加州理工学院天体物理学家康斯坦丁-巴蒂金等人提出,恒星附近的环境并不影响类似木星的行星形成。这一观点让了人们对“热木星”有了新的思考。

事实上,开普勒太空望远镜发现,大多数行星系统根本不像太阳系内的行星系统。这台太空望远镜已经发现了数千颗行星。“飞马座51b”的发现采用的是摆动探测法,而开普勒太空望远镜则是通过观测行星掠过恒星前方时产生的光线微弱变化来发现行星的存在。

如今,行星探索者已经能够很容易发现类地行星。借助开普勒太空望远镜和即将发射升空的“系外行星凌星观测卫星”,天文学家将能够发现更多的系外世界,从而帮助人们对行星的形成以及太阳系的独特性有更深入的认识。下一代的天文望远镜将探测行星大气层中的生命迹象。在未来的数十年中,人类或有望首次发现外星人存在的证据。

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关键词:系外行星太阳系

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