首顆系外行星的發(fā)現(xiàn)

馬庫斯·吳

1995年1月的一個夜晚，法國南部的上普羅旺斯天文臺所在地區(qū)正下著雨。一位名叫迪迪埃·奎洛茲的天文學研究生本該進行天文觀測，但因天氣原因觀測無法進行，他只能坐在實驗室里編寫計算機編碼來分析目前搜集到的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示，一顆名為“飛馬座51”的明亮恒星正在非常輕微地擺動。這種擺動正是奎洛茲一直在尋找的“星球推撞”現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象說明在這顆恒星周圍可能有一顆行星。

一顆行星圍繞另一顆恒星運行，這可能是人類歷史上最具影響力的發(fā)現(xiàn)之一，證明了太陽系并不是唯一的此類星系。這一發(fā)現(xiàn)將促使我們更進一步了解其他星系是否存在生命，也重新定義了人類在宇宙中的地位。

一

因此，奎洛茲必須保證這一發(fā)現(xiàn)的準確性。最終，通過更多的數(shù)據(jù)分析，奎洛茲意識到這一擺動現(xiàn)象確實存在，是由圍繞該恒星運行的行星引力作用引起的?？迤澱f：“當時，我是世界上唯一知道我發(fā)現(xiàn)了一顆行星的人?！钡仓浪倪@一發(fā)現(xiàn)可能是錯誤的，概率很高。“我可以告訴你，當時我真的很害怕?！?/p>

他的發(fā)現(xiàn)是正確的，美國加利福尼亞大學的天文學家史蒂夫·沃格特表示：“這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了歷史，也震驚了整個天文學界。”

今天，在開普勒空間望遠鏡的幫助下，天文學家已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。據(jù)估計，我們的銀河系擁有數(shù)千億顆行星，其中不乏一些類地行星，且存在液態(tài)水。這些有生命存在的潛在可能性讓我們感到興奮。2016年8月，天文學家報告稱，在離太陽系最近的恒星半人馬座比鄰星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆繞軌道運行的類地行星。

但在20年前，當奎洛茲和他的導師、瑞士日內瓦大學的米歇爾·梅杰教授宣布發(fā)現(xiàn)首顆系外行星飛馬座51b時，沒有人能預測到20年后的今天，天文學界的這些發(fā)展。在當時，這是一個瘋狂的論斷，并且在科學界，這一發(fā)現(xiàn)面對的并不是喝彩，而是懷疑。

其實，梅杰和奎洛茲并不是真正最早發(fā)現(xiàn)系外行星的人。

1992年，美國天文學家亞歷克斯·沃爾茲森和戴爾·弗雷曾經發(fā)現(xiàn)過兩顆行星。但這兩顆行星并非繞像太陽這樣的正常恒星運行，而是在繞一顆死亡的恒星運行。這種死亡恒星被稱為脈沖星，自轉速度快，并向太空放射強大的輻射光束。

這樣一個怪異的行星系統(tǒng)并不適宜生命存在。沃格特表示：“那里的環(huán)境如地獄一般，感覺起來并不像行星?！?/p>

天文學家將這些繞脈沖星運行的行星視為宇宙異類，有趣但并不具突破性。此后，天文學家僅發(fā)現(xiàn)了三顆繞脈沖星運行的行星。

尋找圍繞像太陽一樣的正常恒星運行的行星似乎太困難了，卡內基科學院的一位天文學家保羅·巴特勒表示：“如果你去參加一個天文學會議，當人們問你從事什么工作時，你不能說你在尋找行星。否則他們會迅速從你身邊走開，就像你身上有難聞氣味似的。你還不如聊一聊小綠人呢?！?/p>

二

早在1986年，美國舊金山州立大學的保羅·巴特勒和杰夫·馬西就已開始搜索系外行星了。

保羅·巴特勒和杰夫·馬西試圖通過使用沃格特的最新型設備來偵測與奎洛茲發(fā)現(xiàn)的“恒星擺動”相同的現(xiàn)象。例如，太陽系中最大的行星木星會導致太陽以大約每小時35千米的速度擺動。

從數(shù)萬億千米外監(jiān)測那些相對緩慢的速度并不容易。巴特勒表示，在20世紀80年代之前，沒有人能夠觀測到低于每小時1000千米的恒星擺動速度。

為了探測這些恒星的擺動，天文學家需要測量恒星的光譜，以及星光如何分裂成其組成波長。當恒星向你靠近或遠離時，其星光的波長會相應變短或變長，這個微小的變化叫作“多普勒頻移”。問題在于，觀測結果會受儀器的振動、溫度的波動及其他因素的影響。

為了有希望發(fā)現(xiàn)行星，巴特勒和馬西去除了實驗中所有的不確定性因素。巴特勒表示：“我們的目標始終是尋找行星，這一點深深印在我們的腦海中。但當前，我們需要面對的是技術挑戰(zhàn)?！?/p>

突破出現(xiàn)在20世紀80年代初期。兩位加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾和戈登·沃克爾開拓性地采用一種新技術，能夠測量到低至每小時54千米的恒星擺動速度。巴特勒表示，這種靈敏度本可幫助這兩位加拿大天文學家遠早于奎洛茲和梅杰發(fā)現(xiàn)首顆系外行星，但是，他們沒有這么幸運。

三

為了達到精確性，坎貝爾和沃克爾在望遠鏡中放置了一個裝有氟化氫氣體的容器。這種氣體能夠吸收特定波長的星光，生成光譜。但是，任何溫度波動或其他失誤都會對氣體及恒星的光譜產生影響。如果天文學家通過氟化氫氣體觀測到恒星光譜發(fā)生頻移，那么他們就可以認定這是多普勒頻移。

然而，問題在于氟化氫有毒，非常危險。巴特勒表示：“如果你皮膚上沾染了氟化氫，它會損壞你的神經細胞，因此你并不會感覺疼痛，但它會一直腐蝕進你的骨頭。如果你吸入氟化氫蒸汽，你當天就會死去，而且沒人能夠救活你?！?/p>

對于這一問題，巴特勒的解決方法是用碘蒸汽來代替，這需要花費他們數(shù)年時間來改進這一技術以及編寫相應的程序。1995年5月，他們將所能觀測的速度降低至每小時10千米，這是一個新的紀錄。然而就在5個月后，他們收到了來自歐洲的消息，有其他人發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b。

梅杰花費數(shù)月時間來確認飛馬座51b。他的懷疑態(tài)度是可以理解的，他要求奎洛茲做更多分析來排除其他非行星的可能性。如今在劍橋大學工作的奎洛茲表示：“我當時還是一個學生，我的工作并不應該是尋找行星?！?

奎洛茲的論文是關于設計和制造用于觀測飛馬座51b的工具。巴特勒和馬西的觀測技術基于現(xiàn)有儀器，而奎洛茲和梅杰是從零開始，自主制造?？迤澓兔方懿]有使用氣體容器，而是使用光學纖維，這樣能夠盡可能地隔離星光來避免誤差。

四

光學纖維能夠保證光的純度和穩(wěn)定性。通過使用光學纖維，可以將星光從無法預測的天文望遠鏡內部環(huán)境中引出，進入一個溫控設備來測量其光譜。如今，這兩種方法仍然是通過探測恒星擺動來尋找行星的重要手段。

梅杰和奎洛茲一直對他們的觀察結果保密，同時又在進行反復驗證分析。最終確認后，他們于1995年10月6日，在意大利佛羅倫薩舉行的一次天文會議上宣布了自己的發(fā)現(xiàn)。

巴特勒表示：“這個發(fā)現(xiàn)讓我們震驚?！?/p>

大多數(shù)天文學家對此持懷疑態(tài)度。他們理應懷疑。先前，許多研究人員曾宣稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但均被證實是錯誤的。而且，飛馬座51b自身也有問題。

飛馬座51b像木星一樣，是一個大氣球。但怪異的是，它的軌道周期僅為4天，而且它離恒星的距離僅為水星離太陽距離的1/6。如此近的距離，致使其表面溫度高達1000℃。高溫使其大氣層膨脹到比木星大50%，要知道，它的質量要比木星小47%。因此，飛馬座51b也被叫作“熱木星”，它的存在與科學家以往知道的所有行星信息相矛盾。

五

在太陽系，像木星這類巨型氣體行星離太陽較遠。這些行星含有氣體、冰以及揮發(fā)性化合物，這些物質在離太陽較近的較熱環(huán)境中無法存在。這就是為什么科學家以往認為太陽系內層只能形成像地球一樣的小型巖質行星，巨型氣體行星則形成于太陽系外層。

正是“熱木星”的這些與常理相矛盾的特點讓許多科學家對其產生懷疑。巴特勒表示：“當時人們普遍認為，所有的行星系統(tǒng)都應該與太陽系相似。”

恰巧，一周后輪到巴特勒和馬西進行為期4天的天文觀測。每天晚上，他們都將望遠鏡對準飛馬座51，而且盡快開始處理數(shù)據(jù)。

巴特勒表示：“我們看到結果后驚呆了。梅杰和奎洛茲是正確的，我們精確地驗證了他們的預測。”

當時，沃格特并未參與巴特勒和馬西的研究，但他一直在關注他們的進展。沃格特認為，他們一旦知道要尋找什么，飛馬座51b并不那么難以發(fā)現(xiàn)。它的軌道繞行周期較短，因此天文學家僅需搜集幾天的數(shù)據(jù)，就足以推測出恒星擺動現(xiàn)象。

沃格特表示：“如果探測系外行星真的這么容易，那么我們會發(fā)現(xiàn)很多，它們即將從天空走進人們的視野。”意識到飛馬座51b只是一個開始，沃格特也加入了尋找系外行星的隊伍。

巴特勒和馬西一直在改進技術，同時也在進行恒星觀測，8年來他們積累了大量資料。但這兩人都不善于使用電腦對其進行分析。隨著飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)，其他研究人員認為巴特勒和馬西可能會隨時發(fā)現(xiàn)新的行星，并且把自己多余的計算機提供給他們使用。一切就像沃格特說得那樣，越來越多的行星被揭開了面紗。

六

1995年新年夜前的早晨，巴特勒走進辦公室檢查電腦程序，當時電腦正在對一顆名為“處女座70”的恒星進行分析。太陽剛剛升起，空蕩蕩的大樓仍然漆黑一片，巴特勒坐在桌前，他看到電腦程序顯示出一顆行星，這顆行星是木星的7倍大，軌道周期為116天，中心恒星的擺動速度超過每小時1000千米。這是最明確、最清晰的信號，毫無疑問，這就是一顆行星。

巴特勒表示：“一開始我不敢相信，我盯著電腦足足看了1小時。我當時有一種奇怪的感覺，仿佛開普勒就在我身后凝視著?！?/p>

在美國天文學家接二連三地發(fā)現(xiàn)行星時，由梅杰帶領的歐洲天文學團隊也在不斷取得突破。雙方的競爭使得數(shù)百顆行星得以發(fā)現(xiàn)。在接下來的10年，競爭愈演愈烈。

大多數(shù)早期發(fā)現(xiàn)的系外行星都是像飛馬座51b一樣的“熱木星”。這些行星體積大且離中心恒星近，由它們引起的恒星擺動最為強勁，所以最容易被發(fā)現(xiàn)。幾年后，甚至最為堅定的質疑者（曾將其解釋為“脈動變星”、“雙恒星”以及“恒星耀斑”），也不得不承認這些就是真正的行星。

但是，這些行星是如何形成的，至今也沒有答案。

其中一個最為普遍的解釋是，它們像木星一樣發(fā)生了行星移位。它們開始形成時遠離中心恒星，但之后受其他行星以及行星系形成時產生的塵埃和碎片的引力作用，逐漸向中心移動。

2016年8月，美國加州理工學院的天體物理學家康斯坦丁·巴蒂金等人提出了一個大膽的觀點，認為恒星附近的環(huán)境并不影響木星這類行星的形成。事實上，許多“熱木星”就形成于其當前所處的環(huán)境中。

總之，飛馬座51b促使天文學家的思維變得更開放。麻省理工學院的天文學家薩拉·西格表示：“飛馬座51b表明，一提到行星，一切皆有可能。它的發(fā)現(xiàn)給整個天文學界搭建起一個發(fā)現(xiàn)驚喜的舞臺?！?/p>

事實上，開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)行星系統(tǒng)與太陽系并不相同。自2007年發(fā)射升空以來，開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)時是根據(jù)偵測“恒星擺動”，而開普勒空間望遠鏡則是觀測行星掠過時星光的微弱變化。

開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)，行星軌道都是傾斜的，呈橢圓形，行星運行方向與中心恒星自轉方向相反。有些行星同時繞兩顆恒星運行。最為常見的行星都要比地球大，比地球膨脹。

七

如今，行星探索者的技術都很嫻熟，他們發(fā)現(xiàn)，在我們的比鄰星周圍有一顆可能含有液態(tài)水的類地行星，離我們僅有4.2光年。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們星際旅行的宏偉計劃。

未來，在“開普勒”等空間望遠鏡以及即將發(fā)射的“系外行星凌星觀測衛(wèi)星”的幫助下，天文學家將發(fā)現(xiàn)無數(shù)個新世界。這些成果并非是個人的成果，而是全人類的共同成果。這將幫助人們更深入地了解行星的形成以及太陽系的獨特之處。

不久后，新一代的望遠鏡將用于探測行星大氣層內的生命跡象。在未來幾十年內，我們或許會首次發(fā)現(xiàn)外星人存在的證據(jù)。

沃格特表示：“宇宙中是否存在其他生命是人類需要弄清的一個基本問題。這也是人類曾設想的最為深刻的問題之一。或者說，如果我們能得出答案，這將撼動我們的文化，以及我們整個思維觀念。”