寻找天外行星

发布时间：00年07月28日

Geff　Marcy 等编译刘道军

　　天文学家最有力的工具或许并不是天文望远镜或计算机，而是人类的想象力。有了它，我们会无意识地渴望着把天文学、物理学、化学和生物学等领域的那些“补丁式”的研究拼接起来，缝合成一床有条有理的“知识棉被”。利用它，我们还将知道我们短暂的人生是怎样与行星、恒星、星云以及星系联系在一起的。

　　在过去的一年里，我们和其他观测小组已经发现了12颗左右的行星在围绕着其他恒星作轨道运动。

　　最近，我们小组又独自发现了5颗这样的行星。这些发现，使得人与宇宙的关系之中最关键的部分突现了出来。从已经发现了的33颗太阳系外行星中，我们清楚地获知，在银河系2000亿颗恒星的四周必然存在着数以十亿计或者可能数以万亿计的行星。可以肯定，在这些行星当中，有许多由于环境适宜而存在复杂的有机体。这些有机体为了复制自身而相互争夺能量和资源。生命的种子播种在这样的环境之中，我们不会有任何理由去怀疑生命将会自然而然地出现。

　　但是，我们感兴趣的不仅是生命，我们还对行星系的形成和演化感兴趣。虽然我们已经取得了很大成绩，但是我们寻找行星的工作还尚处于开始阶段。随着33颗行星陆续被发现，我们也逐渐摸索到了一些规律。行星的形成是一个混乱的过程，在这个过程中，像地球这样大小的行星会经常被完全甩出星系之外，而跟木星相当的行星则经常围绕极其细长（偏心率很大）的轨道运动。褐矮星很少与类太阳恒星相伴。我们已经发现了一个环绕类太阳恒星运动的成熟行星系。另外还有一些恒星周围可能存在多个跟木星差不多的行星。然而，这些认识仍然相当肤浅，况且寻找类地行星的技术才刚露端倪，它们必将给天文学和生物学带来更多的难题。

行星大展示

　　围绕普通恒星运动的太阳系外行星大展示开始于1995年。那一年，瑞士日内瓦天文台的迈克尔 · 迈耶（Michel Mayor）和狄德尔 · 克威洛兹（Didier Queloz）发现了一颗距飞马座51号恒星460万英里的行星（460万英里约合0. 05天文单位（AU）1AU等于地球至太阳的平均距离）。此后不久，我们在大熊座47号和室女座70号附近也发现了行星。我们原先认为，这些行星系与我们太阳系应当是几乎一样的，但观测结果却大大出乎我们的预料。飞马座51号的那颗行星，其运动轨道距离恒星非常近；而室女座70号的那颗行星，其轨道的偏心率则大得惊人。这些结果都表明，行星轨道不只有—种，而是多种多样、难以预料的。

　　因为宿主恒星的光芒把行星淹没了，所以我们无法使行星成像。然而，行星在作轨道运动的同时，对它的宿主恒星会有—种拉动作用。于是我们可以根据这种拉动效应发现行星。恒星由于被行星拉动，所以运动起来显得有点颠簸，不平稳。这完全可以从恒星的光谱中反映出来。由于行星的引力，当恒星向靠近地球的方向运动时，它的谱线将向光谱的蓝端移动；当恒星向远离地球的方向运动时，它的谱线将向红端移动。这种微弱的多普勒效应与宿主恒星的光线交织在一起，利用它，人们可以推测出行星的轨道和质量的最小值。否则，我们对这颗行星可能一无所知。

　　太阳系中的行星轨道都几乎是圆的。这使得天文学家预计其他行星系中的行星轨道同样也是圆的。毕竟，行星可能形成于诸如在猎户座星云中发现的圆形原行星盘中。在原行星盘中，气体和尘埃围绕圆形轨道运动；就跟摩擦会使得流人浴盆下水管的水流变圆一样，这些原行星盘内部的摩擦将会使新近形成的行星轨道变圆。

　　但是，迄今所发现的大多数太阳系外行星的轨道并不是圆的；相反，它们的偏心率都很大。事实上，18颗轨道最长的太阳系外行星都在围绕偏心轨道运动。

　　其中，大多数行星的轨道都比地球、木星或者土星的轨道长二倍多。

　　那到底是什么使得大多数太阳系外行星的轨道变成椭圆的呢？这个问题的最佳线索可能就是我们太阳系中的彗星了。彗星的轨道太细长了，所以它很少运动到太阳系的内层中来。但是，彗星并不是在椭圆轨道中产生的，而是在原太阳盘的圆形轨道中形成的。

　　与宇宙飞船会受到行星引力的作用一样，彗星是在与行星靠得很近的时候受到了行星的引力作用而沿着椭圆轨道运动的。

　　我们现在怀疑大多数行星自身也会受到其他行星的作用，从而使得它们的轨道受到扰动而变成椭圆形轨道。如果两个或多个大质量行星的轨道相距只有几个天文单位，那么会不可避免地形成一颗行星被挤向内部而另外一颗行星被推向外部的局面。甚至于，当一颗行星受到这种“弹弓”式的扰动后，它可能会靠近其他邻近的行星，因而对这些邻近行星产生同样的扰动。所以，这个理论就解释了为什么有这么多太阳系外行星的运动轨道不是圆的而是椭圆的。

　　但不幸的是，像地球这样小的行星被大质量的行星抛向四周之后，就像火车失事后的丁克玩具*一样杂乱无章。这种混乱的结果可能导致某些行星被完全逐出行星系，而只剩下几个质量较大的行星留在行星系里。这样一来，我们的银河系里必定装满了数以万亿计的离群的行星。它们像巨大的暗石块在广阔的星际空间里漫无目的地流浪着。

　　椭圆形轨道在所有行星轨道中占大多数。这一事实意味着，圆形轨道行星系可能是特殊的而不是一般的行星系。显然，我们太阳系的九大行星恰好相距足够远而且质量足够小，因此能避免出现那种混乱的局面。但实际上，九大行星之间存在着相互扰动，但这种扰动很小并不足以产生势均力敌的对抗局面。我们常说太阳系是行星的纸牌房子，不可靠，但它恰恰是极少数能保持稳定的行星系之一。

　　如果我们太阳系的行星轨道不是近似圆形的，那么我们人类就实在太幸运了。因为我们居住的星球地球，它的轨道是圆形的，所以地球接收到的太阳辐射几乎不变，地球上的温度因而变化也不大。假如地球的温度波动很大，或许生命还没有演化到人这一阶段。可能正是圆形轨道使得地球的气候保持相对稳定，而相对稳定的气候又为物质向复杂有机体的演化创造了条件。倘若情况真的是这样，那我们人类的存在就要完全归功于地球的轨道是圆形的了。

初战告捷

　　最终，我们将会直接“看见”这些行星，并且直接得到它们的光谱。但在技术还未达到我们所梦寐以求的水平之前，我们仍然可以从现存的观测资料中发现许多信息。

　　我们可以用“质量直方图”来对已经发现的行星进行分类。即首先根据质量的大小把每个行星分别装进某一个“大箱子”中；然后数每个箱子里的行星数目。

　　箱子里的行星数目越大表示这种行星越普通；数目越小则表示这种行星越特殊。根据质量直方图，我们可以发现在33颗已经发现的太阳系外行星中有29颗围绕普通恒星运动（另外4颗环绕脉冲星运动）。目前，在美国和欧洲有4个研究小组在进行这项研究。他们是：利克小组，迈克尔 · 迈耶主持的瑞士小组，由史密森天体物理观测台的罗伯特 · 诺伊斯（Robert Noyes）和国家气象研究中心蒂姆 · 布朗（Tim Browm）领导的小组以及由奥斯汀得克萨斯大学的比尔 · 科库朗（Bill Cochran）、阿提 · 海茨（Artie Hatzes）和欧洲南方天文台的马丁 · 科斯特（Martin Knrster）领导的小组。

　　所有观测都主要集中在轨道周期为3年以下的质量跟木星差不多的行星上。大质量的行星较容易被探测到，因为它们对宿主恒星的拉力比较大。实际上，我们能够观测到质量比木星大2倍以上、轨道周期为3年以下的所有行星。但是我们很容易漏掉质量比木星小的行星，而且我们根本探测不到海王星这样轻的行星。这种选择效应对发现质量比木星大4倍以上的行星非常有利。然而质量直方图清晰地告诉我们，现在正要寻找的都是质量不太大的行星。这些都表明目前已发现的行星仅仅是冰山一角，当我们改进技术之后，将会发现更多小质量的行星。

　　值得注意的是，所有通过我们小组的“速度测量”而发现的行星，它们的质量都小于木星的10倍。1987年，我们（利克天文台）开始在107 颗类太阳恒星周围寻找行星的时候，期望能同时发现行星和褐矮星。褐矮星是衰老的恒星，质量为木星的10至80倍。因为褐矮星质量大于行星，所以褐矮星应该非常容易被探测到。但是12年来，我们没有在这107颗恒星的任何一颗附近发现单褐矮星。这证明在200颗类太阳恒星中，大约只有一颗在5个天文单位范围内存在着褐矮星。

多行星系

　　从金星上烙饼状的火山丘到土星周围的冰冻环，太阳系中的行星可谓千姿百态，向我们展现出了一幅令人惊奇的太空画卷。但是客观地讲，太阳系其实只包括太阳、木星和一些剩余的碎片而已。假如外星天文学家使用与我们相似的技术观测太阳系，他们也将只能观测到太阳、木星或许还有土星而已。因此，我们不应该对存在只含有一颗行星的行星系而感到吃惊。

　　要发现多行星系，绝对少不了细心、耐心和运气。用我们多普勒技术来观测太阳系外行星并得到一个可靠的结果，需要观测者至少花去两个行星运动周期的时间。因为我们的观测时间至今只有12年，还来不及去发现轨道周期长于6年的行星。现在我们只能探测到含有多颗质量与木星相当的行星的行星系，而且这些行星和宿主恒星的距离不超过4. 5AU。

　　即便如此，去年我们和罗伯特 · 诺伊斯小组仍合作发现了第一个真正的外太阳行星系。这个行星系里的3颗行星围绕着距地球仅有44光年的类太阳恒星——仙女座μ星运动。它们的轨道与宿主恒星的距离分别为0. 06AU、0. 82AU和2. 4AU。作为利克天文台观测结果的一部分，我们小组最先于1996年6月发现了最里面的那颗行星。这颗行星异常酷热，它的轨道周期为4. 6天，质量至少为木星的0. 7倍。与其他4颗轨道周期小于5天的类似于飞马座51号的那颗行星一样，由于潮汐作用，它的轨道是圆形的。

　　当时根据我们的数据分析，在这个行星系中可能还存在其他行星。所以我们和诺伊斯小组各自独立地对仙女座μ星进行了严密的监视，并尽可能提高监视的频度。至1999年初，我们两个小组已经收集了140多个观测数据。利用这些数据，我们从杂乱的光谱中整理出了附加速度的谱线。整理的结果表明，另外还存在2颗而不是1颗行星。中间那颗行星质量为木星的两倍，它沿着偏心轨道运动，周期为241天。而最外面的那颗行星质量为木星的4倍，轨道也是偏心的，周期为3. 5年。

　　可能除了大熊座47号行星之外，至今发现的所有太阳系外行星的轨道不是圆形的就是偏心的。在仙女座μ星系统中，两种类型的行星同时存在，或许它正是可以让我们理解外太阳行星系的形成和演化的“罗塞塔石”^*。仙女座μ星系统是怎样演变成为目前这样的结构的呢？实际上我们对这还一无所知。当我们探测行星的精度、时间基线和采样尺寸得到提高之后，我们将会发现越来越多的多行星系统。

前途远大

　　1995年之前，我们的主要目的还仅仅是发现太阳系外行星。但是现在，随着33颗行星陆续被发现，我们的主要目的就不再拘泥于此了。我们希望发现一个与太阳系类似的行星系，这个星系的标志是有一颗或几颗质量跟木星相当的行星在距离宿主恒星5AU的圆形轨道上运动。我们希望发现质量跟土星和海王星相当的行星，并且最终找到类地行星；同时也希望能大概知晓行星系形成和演化的奥秘。我们还希望知道太阳系到底是一个普通的行星系还是一个特殊的行星系（若是特殊行星系，那说明高级生命在银河系中是相当罕见的）。

　　要解决这些问题，我们必须扩大目前的观测范围，发展新技术。在未来的10多年里，我们百试不爽的多普勒技术还将继续为我们提供许多太阳系外行星的资料。在过去3年中，利用覆盖南北两半球的天文望远镜，瑞士小组和我们已经把观测的恒星数目扩大到了大约1000颗。到2010年这些观测将为我们提供有关太阳系外行星系的第一手资料。

　　在下一个10年中，光学干涉仪和近红外干涉仪将最终成为现实装备。它们将运行在一对口径为10米的凯克天文望远镜和欧洲南方天文台的超大天文望远镜（VLT）之上。通过组合8到10米口径的天文望远镜所接收到的光线，干涉仪将能够把恒星位置的测量精度提高到目前最好水平的10至100倍；而要探测土星或海王星这样大小的行星所引发的恒星位置的摆动，则必须要求达到这样的精度水平。

　　因为地球大气层对干涉仪的工作有影响，所以在大气层外进行干涉仪的测量工作，其精度将会更高。美国宇航局（NASA）将在2006年至2008年间发射太空干涉仪（SIM，将在太空工作5年）。它将能够探测到质量只有地球的10倍、轨道周期为5年或5年以下的行新技术终将淘汰多普勒技术，我们的“速度测量”将为诸如NASA提出的“地球行星发现者”等新技术指明方向。这种“地球行星发现者”将直接获取木星或地球这样大小的太阳系外行星的图像，并且据此寻找生命的信号。当我们能够用行星自身的照片代替艺术家关于太阳系外行星的构思时，当我们能够看到与九大行星一样奇异而出乎人们预料之外的风景时，我们就与“地球行星发现者”的目标不远了。