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2005年第6期
2005年8月1日
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外星行星现身
 黄永明
原载《Newton-科学世界》2005年第5期，其他媒体请勿转载
行星不是太阳系的专利，其他恒星身旁的行星是什么样子的？不久前，天文学家首度确认他们直接拍摄到了外星行星的照片，这成为10年来探索外星行星的一个重要里程碑。然而，在发现的光环之下，天文学家心中也深藏着困惑。
于是我感觉就像天空的守望者
当一颗新行星游进了他的视野；
或像顽强的科尔特斯用锐利如鹰的双眼
注视着太平洋——还有他所有的队员
带着离奇的揣测面面相觑——
无言，呆立在达里恩山巅
——约翰•慈济《初读查普曼译荷马史诗》
英国19世纪浪漫主义诗人慈济的这首著名的十四行诗，表现了他作为一个年轻人在知识领域中发现新天地时的喜悦心情。诗中提到的科尔特斯（Hernand Cortez，1485-1547）是征服墨西哥的西班牙探险家。诗人本想用探险家发现太平洋时的惊喜心情来表现自己的情感，但他将科尔特斯与另一位西班牙航海家巴尔沃亚（Vasco Balboa，1475-1517）混淆了，后者才是欧洲的太平洋发现者。
对于“天空的守望者”来说，历史上最后一次发现太阳系中的新行星是在1930年（发现冥王星）。时隔65年，才又有另一颗新行星“游进”天文学家的视野——那是一颗围绕其他“太阳”运转的“外星行星”（exoplanet）。从1995年至今10年的时间里，天文学家已经发现了大约160颗外星行星，但这些行星几乎全都是用间接方法探测到的。
让“天空的守望者”喜出望外的是，今年，两组天文学家分别表示，他们在历史上首度直接拍摄到了外星行星的照片！
在智利的巴拉那山巅，天空的守望者们注意到两颗外星行星进入了他们的视野。 | |
这些新照片令“所有的队员带着离奇的揣测面面相觑”。“大自然总是比我们所想象的更加多姿多彩！”法国格里诺布尔天文台（Grenoble Observatory）的天文学家安娜-玛丽•拉格朗日（Anne-Marie Lagrange）感慨道。她是其中一个小组的成员。
他们的故事发生在巴拉那（Cerro Paranal）山巅。
暗淡红点
位于智利北部的阿他加马沙漠(Atacama Desert)，是世界上最为干燥的地区之一。巴拉那山位于其中，海拔2600多米。巴拉那山上的天文台以山为名，叫做巴拉那天文台，其中有一架世界著名的大型天文望远镜。这架望远镜是世界上最大的望远镜之一，口径达到了8.2米。它的名字缺乏想象力——甚大望远镜（Very Large Telescope），但它却做出了许多最为激发想象力的科学发现。
去年4月，以欧洲南方天文台的天文学家盖尔•肖万（Gael Chauvin）为首的一组欧洲和美国天文学家利用甚大望远镜发现了一颗有趣的天体。在照片中，这颗天体泛着红光，它的身旁是比它明亮100倍的另一颗天体。
这颗相对明亮的天体是一颗名为2M1207的褐矮星，距离我们有230光年远。褐矮星是一种质量介于行星和恒星之间的天体，它们的质量不足以使它们像恒星那样稳定地“燃烧”氢原子，但它们的形成过程却与恒星相似。那么，它身旁的这颗红色天体又是什么呢？
肖万等人花费了很大气力，才在两个月后获得了这颗红色天体的近红外光谱。他们发现，光谱中含有水分子留下的痕迹，并且这颗天体相对较小，质量不大。他们怀疑，这或许是一颗外星行星。“如果2M1207的这颗伴星真的是一颗行星，那么这将是首次拍摄到一颗围绕恒星或褐矮星运行的外星行星。”研究小组成员、美国洛杉矶大学的本杰明•朱克曼（Benjamin Zuckerman）教授说。
肖万等人拍摄到的外星行星照片。其中红色的天体为行星，绿色的天体是褐矮星。 | |
但他们并不敢肯定。因为在他们拍摄到这颗天体之前的几年时间里，已经有不少其他的小组声称直接拍摄到了外星行星，但后来的研究把这些说法都一一否定了。那些被拍摄到的天体要么是暗弱的恒星，要么仅仅是毫不相干的背景天体。
失败的先例
事实上，从一开始，天文学家搜寻外星行星的过程就充斥着假象。一个一个的研究小组相互竞争着发现新的天体，但某个小组一旦被假象击中，他们的工作便前功尽弃。
美国宾西法尼亚州立大学的天体物理学家亚历山大•沃尔兹刚(Alexander Wolszczan)在1991年发现了首批被一部分天文学家称为外星行星的天体。他说：“在那之前，有很多外星行星被探测到但又被撤回，以至于你多少可以走近一个人并对他说‘嘿，我发现了一些行星。’当有人对我说这样的话，我会说‘好啊，把你的数据拿给我瞧瞧。’”
那一年，沃尔兹刚发现一颗脉冲星的脉冲信号发生着微妙的变化。就好像一名运动员在夜里掷链球，虽然你看不到小小的链球本身，但从身体壮硕的运动员的身体运动中你就能看出有重物在牵引着他。沃尔兹刚怀疑自己发现了外星行星的踪迹。
就在沃尔兹刚产生这种想法之际，来自英国的一名天文学家率先宣布了自己的发现。他宣称自己在一颗脉冲星身旁发现了行星。这是一条引起轰动的新闻，当时有人把这位天文学家看作发现外星行星的第一人。
然而，时隔不久，在1992年的一次美国天文学会会议上，这位天文学家语出惊人，他向在座的数百名天文学家说，他犯了一个低级错误：他在计算脉冲星讯号变化的时候没有考虑到地球自身的运动。于是，这个轰动一时的“发现”被撤回了。
失败的先例让沃尔兹刚格外谨慎，他在1992年的《自然》杂志上发表了他的观测结果，但他又花了两年时间才排除各种其他的解释，确信他发现的就是外星行星，于是他在1994年又在《科学》杂志上发表一篇论文阐述了他的结论。
现在，人们在讲到外星行星的发现史时，有时会提到沃尔兹刚，但很多天文学家并不把他的发现看作第一次发现外星行星。因为他所发现的“行星”环绕的是一颗已经死亡了的恒星。一般认为，真正发现环绕“普通”恒星的外星行星是在1995年。
格林•施耐德（Glenn Schneider），美国亚利桑那大学的一名天文学家，他在上世纪90年代曾尝试利用哈勃太空望远镜上的相机直接拍摄外星行星。他确实得到了照片，一颗暗星的身旁有另一颗暗星。但他不敢断定其中的一颗就是行星。他的同事希望用后续观测来获得暗星的光谱，但最后失败了。
让人多少感到一丝欣慰的是，后来其他天文学家小组的研究表明，施耐德等人发现的那颗天体不过是一颗背景恒星，也就是说，他拍摄到的两颗天体相距甚远，毫不相干，只是碰巧看起来接近。不过施耐德后来还是用哈勃的相机直接拍摄到了外星行星，这是后话。
真实身份
出于这些前车之鉴，为了搞清楚拍摄到的红色天体的真正身份，肖万等人必须对它进行长时间的后续观测。
为什么要这样做呢？这是因为，银河系中有数以千亿计的恒星，它们构成了整个星系的盘状结构，这些恒星中离银河系中心近的与离中心远的运动速度差异很大，如果天文学家不能确定两颗看似接近的天体是否真的由引力“绑定”在一起，那他们就要观察这两颗天体是否一起运动。假如过了一段时间，两颗天体分道扬镳，那就说明它俩毫无关系；假如它们一直形影相随，那就说明它俩真的具有引力上的关联。
今年2月份和3月份，肖万等人又数次对2M1207及红色天体进行了拍照。他们发现，红色天体一直都在2M1207身旁，如影随形。由施耐德带领的另一个小组也分别在去年8月和今年4月利用哈勃太空望远镜的相机对2M1207及红色天体进行了成功的拍照，经过分析，施耐德说他有99%的把握，这颗红色天体就是一颗外星行星！
甚大望远镜和哈勃太空望远镜的观测共同表明，这颗红色天体是一颗质量为木星5倍的巨行星。
“这两颗天体——巨行星和年轻的褐矮星——在一起运动。我们观察了它们一年，新的照片从实质上证实了我们2004年的发现。”小组成员朱克曼说。按照惯例，这颗行星被编号为2M1207b，而褐矮星的编号随之改为2M1207A。
艺术表现图：2M1207系统，其中的行星看起来与木星很相似，但它的形成过程可能与木星很不同。点击图片放大 | |
“我们的发现代表着我们迈出了第一步，它朝向现代天体物理学最重要目标之一：描绘巨行星的以及最终是类地行星的物理结构和化学组成。”拉格朗日说道。
寻星竞赛
在肖万等人为他们发现的天体忙得不亦乐乎的同时，另一个天文学家小组也做出了突破性的发现。同样利用巴拉那山上的甚大望远镜，德国耶那大学(University of Jena)的天体物理学家拉尔夫•奈淮若（Ralph Neuhäuser）带领的小组在一颗年轻恒星的身旁也拍摄到了一颗“疑似行星”。
去年6月，他们拍摄到了一颗年轻恒星，它的年龄在10万到200万年之间，它的旁边有一颗光芒暗弱许多的小天体。在照片中，可以很明显地看到这颗小天体的存在。从照片上分析，假如这颗小天体是一颗行星的话，那么它距恒星的距离就是100天文单位，这比冥王星到太阳的距离还远一倍半。
奈淮若等人拍摄到的外星行星及其恒星。图中标b的天体是行星。 | |
当然，奈淮若等人也不敢立即断定这就是一颗外星行星。他们查找资料后发现，实际上早在1999年，哈勃太空望远镜就记录到了这颗天体。他们将1999年的照片和2004年他们获得的照片进行对比，发现在5年的时间里这颗天体和旁边的恒星并没有分开。
“（我们）确实探测到了明亮恒星身旁的那颗暗弱天体。”奈淮若今年3月底语气肯定地对媒体表示，他的小组拍摄到的的确是一颗外星行星。
他们发现，由于恒星年轻而炽热，它身旁的这颗行星也在炙烤下变得很热——温度达到了大约2000开尔文。一般来说，天文学家无法直接拍摄到外星行星的最大困难在于，行星与恒星相比亮度太低，完全被淹没在了恒星的光芒之中。所以，奈淮若等人就选择年轻恒星来观测，这个阶段的恒星相对炽热，能够更大程度地加热周围的行星（如果存在的话），使天文学家更容易在红外波段拍摄到它们。
虽然目前还不能确知这颗行星的质量，但奈淮若认为它应该在木星质量的两倍。这颗外星行星远在400到500光年之外，随着身份的确认被编号为GQ Lupi b。
分歧出现
随着两个小组拍摄到的“外星行星”被确定身份，研究论文发表在今年5月份的《天文学和天体物理学》周刊上，争议也接踵而至。究竟是谁最先拍摄到了外星行星？这成了一个在天文学家之中见仁见智、众说纷纭的问题。
“肖万等人在他们的新文章中写到，2M1207的伴星并不是在低质量的褐矮星周围像行星那样形成的，而是像恒星（或褐矮星）那样直接由气体云凝聚而成的。”奈淮若接受《科学世界》采访时说，“对多数天文学家来说，那意味着2M1207的伴星不是一颗行星，而是一颗小褐矮星。”
“从2M1207系统的不同寻常的性质来看，那颗巨行星很可能不是像太阳系中的行星这样形成的。”肖万也说，“相反，它和我们的太阳的形成过程相同，由气体和尘埃云一次性坍缩而成。”根据太阳系形成的理论，木星、土星这些巨行星都是先形成了一个固体内核，然后吸积轻元素聚集而成的。
但是，肖万的小组却认为他们拍摄到的天体应该被归为“行星”。“国际天文学联合会将质量低于13.6倍木星质量的天体界定为行星。”朱克曼告诉《科学世界》，“我相信这个定义同时也说了这个天体必须是围绕恒星运行的。然而，这并不意味着如果这个天体是围绕褐矮星运行的，它就不是行星。”
实际上，2M1207身份的分歧代表了目前天文学家在对“行星”进行界定时的不同思路。一些天文学家仅仅从质量上来划分，认为只要天体在低于13.6倍木星质量的情况下，内部不会发生核聚变，就应被归为行星；而另一些天文学家则从天体的形成过程来划分，认为像太阳这样由气体和尘埃云坍缩而来的天体不该被称为行星。
“我更愿意把它（2M1207的伴星）称作‘褐矮星伴星’。”美国亚利桑那大学的天文学家亚当•伯勒斯（Adam Burrows）向《科学世界》陈述了另一种观点。他虽然没有直接参与两个小组的研究，但他也是同一领域的专家。
争论的背后
在上世纪90年代之前，天文学家是不会料到“行星”这一再普通不过的概念在若干年后会如此模糊不清的。因为在发现外星行星之前，天文学家以为我们太阳系的状况是天体演化的自然结果，宇宙中如果存在其他类似的系统，也会跟太阳系很相似。
但真实的情况与天文学家们所设想的大相径庭。比如前面提到沃尔兹刚发现了围绕脉冲星运行的行星质量的天体，这样的天体是否该被称为行星呢？天文学家还曾在星云中发现行星质量的天体，这些天体并不围绕恒星运行，有的天文学家把它们称为“自由漂浮的行星”，这是否合适呢？这些困惑的根源，是国际天文学界一直没有得出“行星”这一概念的统一而明确的定义。
英国天文学家曾在猎户星云中发现“自由漂浮的行星”。图为哈勃太空望远镜拍摄的猎户星云局部。点击图片放大。 | |
肖万的小组称他们是用国际天文学联合会对行星的界定方法来衡量天体身份的。但美国加州大学伯克利分校的天文学教授基博•巴斯瑞（Gibor Basri）告诉《科学世界》：“现在国际天文学联合会仍然没有（关于行星的）完整定义。”
“但他们同意，能够在中心发生核聚变的天体不能算作行星。”巴斯瑞继续说，“国际天文学联合会给出的并不完整的定义还表示，行星应该是围绕类似太阳这样的恒星运转的。当然，目前关于这一点还没有一致意见。”
巴斯瑞没有直接参与两个小组的研究，但他多年来一直十分关心“行星”定义的困惑现状。“我倾向于把那两个小组的照片都算做‘首批照片’。然而，在这两项发现中，都不能确知行星质量的天体是像‘普通’巨行星那样形成的，因为它们离其的‘恒星’都很远。正因为如此，其他天文学家（但不是我）可能会不承认任何一颗是行星。”巴斯瑞说道。
巴斯瑞解释说：“我的建议是，（行星所环绕的）中心天体只要能够发生核聚变就行了，而褐矮星就是可以的。”他把与行星定义相关的天体分为三类：能够发生中心核聚变的天体是“聚变天体”（fusor）；球形的非聚变天体是“行质天体”（planemo）；那么，围绕聚变天体运行的行质天体就是“行星”（planet）。
2M1207系统中行星到褐矮星的距离与太阳系中情况的对比。点击图片放大。 | |
巴斯瑞提出的这种分类法得到了许多其他天文学家的支持。奈淮若在讲述他所理解的“行星”时，就陈述了与此非常相似的分类方法，他个人也并不反对将肖万等人发现的天体归为行星。所不同的是，他还给行星的个头设了这样一个下限：不能小于冥王星。
什么是更重要的
究竟是谁首先拍摄到了外星行星，这个问题恐怕还要等待历史来判决。
“然而，在我看来更为重要的是下面的事情，”朱克曼对《科学世界》说，“天文学家们喜欢做的事情是，理解不同质量和年龄的行星质量天体所具有的物理结构和化学组成。所以，通过研究2M1207b，天文学家们将会了解到一颗年龄是800万岁的巨行星的性质。”
伯勒斯于今年1月份发表在《自然》杂志上的一篇文章，对直接拍摄外星行星的意义作了更为详细的综述。文章中谈到，以前用其他方法发现的外星行星有一个共同点，就是它们离中心天体非常近。从理论上来看，行星的分布应该是很广的，不光有距离恒星很近的天体，也有距离比较远的。不同距离的行星需要用不同的手段来探测，直接拍摄就是发现远距离行星的重要方法。
伯勒斯一下子列举了地面上的和太空中的20架大型望远镜，这些望远镜有的已经在使用中，有的还仅仅处在概念阶段。他写道，在这些望远镜的帮助下，“未来的20年时间里，关于外星行星的越来越多的研究结果将彻底改变我们对于行星系统的观点。”
“美国宇航局和欧洲空间局目前正在筹划一些太空望远镜，它们在今后数十年里可能会在其他恒星身旁发现与地球相似的行星。”朱克曼也表示，“并且，来自这些行星大气的光谱可能会暗示它们上面有生命迹象，就像因为有了生命，地球大气的光谱和火星、金星的都不同。”
“然而，这些太空望远镜的建造和发射要取决于我们这个世界的健康状况。”朱克曼继续说道，“人类对生物圈的伤害、人口过剩、核恐怖主义……我能够想象到很多因素都可以在未来几十年里影响科学的进展。
美国宇航局计划中的开普勒太空望远镜将有能力发现其他“地球”，它最早在2007年发射升空。 | |
即便一切顺利，“我想我们有很好的理由相信，我们距离发现外星人还远着呢。”朱克曼说。
欧洲南方天文台
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