谁真正发现了第一颗系外行星?
3054字
2019-11-14 21:06
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火星译客

1995年和1492年都标志着地理大发现的开端。新的探险者们不再利用海船去探索新大陆,而是用望远镜去发现隔着数亿光年围绕恒星旋转的行星。人们发现了数千颗这样的太阳系外行星 (通常简称为“系外行星”),其中包括一些可能与地球相类似的星球,以及一些完全区别于与太阳系内任何行星的奇异物体。

2019年的诺贝尔物理学奖有一半的奖金归属了其中的两位系外行星探索者米歇尔·麦耶和迪加德·奎洛兹,表彰他们在1995年取得的重大发现。我和我的同事们无一不钦佩他们的开创性精神与成就,并为担负延续并推动其事业不断发展而感到无比自豪。

这次的颁奖词有些特别,它说,授予他们诺奖,是为了表彰他们“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”难道不应该是发现第一颗系外行星吗?毕竟,已经有数百名天文学家发现了一系列的系外行星。我也参与找出了几则案例。甚至高中生和天文学家也发现了很多先前的例证。这一切是否该归结于诺贝尔委员会的印刷错误?

不,他们在印刷上没有纰漏,而是源于这其中的一个故事。

这就像确定谁发现了美洲一样困难(克里斯托弗·哥伦布?约翰·卡伯特?列夫·埃里克森?还是阿梅里戈·韦斯普奇?谁的名字被记住了?是那些数万年前从西伯利亚徒步而来的人?)很难说是谁发现了第一颗系外行星。因为至少有5名竞选候选人是令人信服的。考虑到评析每位竞选人所提交的材料的各个优势的过程精彩又有趣,所以我们开始假定自己是诺贝尔委员会成员,并负责甄选获奖者。

不过,首先,我们需要了解前系外行星天文学家的思维模式。他们一贯的想法是所有的行星系统虽非在全部细节但至少在几个重要的方面与太阳系是相似的。如,行星运行轨道是近圆形的,且与太阳系位于同一个平面,巨行星行星(如木星)运行于恒星轨道之外,而岩质行星(如地球)则更靠近恒星。

几个世纪以来,天文学家逐步构建了一套关于行星形成过程的理论体系,并解释说该模式之所以普遍使用是因为新生恒星周围的漩涡中心内物理变化过程无可避免。我很想向你们阐释下这个理论,但因为早期发现的系外行星证明了该理论的错误性和不完整性,所以我不打算解释细节问题。而你所需要知道的是天文学家们的这套理论已经根深蒂固。

你还需要知道如何探测系外行星。你要做的第一件事可能是用望远镜瞄准一颗恒星,寻找围绕它周围的模糊物体。但这几乎不可实现,因为行星太暗了。相反,第一批系外行星是通过观察恒星的运动而发现的。

孩子们被教导行星围绕太阳公转,但那只是一个善意的谎言。事实上,太阳和行星围绕着整个太阳系的质心旋转。如果你在一个平圆盘上按照太阳系的比例建模,质心就是可使指尖上的圆盘保持平衡的位置。太阳是太阳系中质量最大的某一组成部分,所以它总是处在靠近质心的位置,并且会不时地移动。围绕一颗遥远恒星运转的行星也会导致恒星移动。这为天文学家提供了一种发现行星的新方法,那就是利用多普勒效应。

当一个物体正向移动时,所发出的电磁波如声波或光波等的波长会被压缩,反之则被拉长。对于声音来说,波长决定音高,这就解释了为什么救护车驶过时警笛的音高会降低。对于光来说,波长决定颜色。当一颗恒星向我们移动时,它会随着靠近逐渐散发蓝光,而当恒星后退时,它会变红。我们所讨论的是百万分之几或分辨率更低的变化过程,所以你需要使用专门的天文设备来实现探测目的。

我们正准备审查第一个系外行星发现者的候选名单,但在此之前还有一件事。我们得预先确定我们所说的发现的含义,这在后续的评析过程中将发挥极大作用。

该词在字典中的定义是“第一次获得知识”。“好吧,但是什么是知识呢?”为此,我们翻阅了一本哲学教科书,在认识论那一章,在那一章里,我们发现知识指的是得到认证的真正信仰。因此,我们所要做的就是确认第一个对系外行星的存在抱有坚实信念的人。

鉴于这种信念的既定真实性,我们不需要讨论所有那些几十年来破坏行星猎人声誉的错误开端和虚假声明。同时源于合理性的要求,那些幸运的猜测者也得以排除。1953年,菲利普·k·迪克(Philip K. Dick)写了一篇文章,讲述了比邻星(Proxima Centauri)周围存着某颗行星。2017年,天文学家成功发现了探测到这颗行星,而菲利普·k·迪克(Philip K. Dick)只是完成了一次完美的推测,并未真正发现这颗行星。

经过简要介绍,现在我们按竞选者发现系外行星的时间次序欢迎他们进场。

1979年,戈登·沃克及其与他同在英属哥伦比亚大学的几个同事开始了发现行星的征程。戈登·沃克是世界上研究精准的多普勒观测方法最杰出的权威人士。他设计调查的前提是所有的行星系统都与太阳系类似。考虑到设备的局限性,他唯一有机会探测到的最大信号将会是巨行星所发出的,比如木星,它需要12年才能实现绕太阳一周。这意味着沃克需要在该研究项目上投入很长的时间。

由于他只能观测到大约20颗恒星,所以他还期望类似木星的行星属于比较常见的天体。为了扩大他的研究范围,他需要望远镜时间分配委员会给予其更多的支持,但该委员会并未对他的请求作出回应。后来沃克写道:“现在很难理解为什么20世纪80年代人们会在寻找太阳系外行星上充满质疑和冷漠。他们中有些人甚至认为进行这样的研究是超出天文学的法律范畴的。”

尽管面临这样的障碍,他还是成功在1988年探测到一颗质量与木星等同的行星,该行星每2.7年环绕一颗名为伽马造父变星的恒星一周。那么,沃克获奖了吗?他对地球的存在持有坚定而正确的观念吗?

确实如此:这颗行星的存在在2003年得到了明确证实。但问题是这种观念放在1988年来看是否合理呢。沃克所探测到的信号即使是在噪音下也很明显,但他仍然担心是自己搞错了。多普勒信号可能是由行星以外的其他东西引起的。也许2.7年的模式适用于恒星的旋转,而不是运动。太阳每个月自转一次,但沃克认为伽马造父变星作为巨恒星,其自转速度要慢得多。

在1992年发表的一篇论文中,基于这种担忧,沃克放弃了伽马造父变星发出证明行星存在的信号这一说法。但事实证明,这颗恒星被错误分类了。它不是巨星。沃克担心自身失误的想法完全搞错了。考虑到人们近乎敌意的怀疑态度,他会如此谨慎不难理解。也许最准确的说法是,沃克确实发现了这颗行星,但没能使其公之于众。

接下来是另一位竞选者史密森天体物理天文台的大卫·莱瑟姆。1989年,他和别人合著了一份有关一颗名为HD 114762的恒星周围存在多普勒信号的报告。该信号十分明显而且相当有趣。其特性存在于轨道运动而非天体旋转。

这项发现似乎来得轻而易举。事实上,HD 114762已被列入美国宇航局的系外行星综合数据库,归属于1989年的研究发现,比米歇尔·麦耶和迪加德·奎洛的发现早了六年。

那么,莱瑟姆为什么不向瑞典国王报告这一发现呢?因为在那个时候,人们不认为莱瑟姆的成就在于发现了某刻行星。这个假定的星球有些方面很不寻常。

首先,该行星的运行轨道不是椭圆的,而非近圆形,而且其维度的长度与太阳系的其他行星截然不同,是一般维度的两倍。第二,怪异的是,这颗行星的质量竟是木星的11倍。事实上,这颗行星可能更大,因为多普勒方法告诉我们的只可能代表这颗行星的最小质量。这是因为恒星在各个维度中都处于运动状态,但多普勒效应只反映其中一个维度:朝向或远离观察者的运动。

最后,对于一颗巨行星来说,其运行轨道似乎太小了。它的大小不到木星轨道的十分之一。根据行星形成理论,巨行星的形成位置一般不会离恒星这么近。而且近恒星区是小型岩质行星的运动范围。

莱瑟姆认为它可能是一颗行星,但他的一些团队成员(以及大多数其他天文学家)认为违背常规理论的过度解读(这颗行星根本就不存在)。他们1989年的论文只是在推测下考虑行星存在的可能性。论文中写道,它更有可能是一颗褐矮星,一种因从未点燃核聚变反应而被认为是失败的恒星。

然而,时至今日,HD 114762的所有“特性”都被认为是在天体之中绝无仅有的。我们知道,类日恒星中只有百分之几内部存在巨行星,这些行星一般轨道很小,运行轨道高度近似于椭圆形。有些行星的质量是木星的10倍甚至20倍。

我们回溯行星的发展史发现,莱瑟姆在发现首个系外行星方面当之无愧。这种说法是正确的,数据充分证明了这一点。但在当时,人们不相信它,因为他们持有一种偏见,认为行星的外观和行为应该与太阳系中的行星类似。

接下来发生的事让人大吃一惊。1992年,通过利用多普勒方法之外的衍生工具,波兰天文学家阿莱克桑德·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan) 及戴尔·弗雷 ( Dale Frail)公布发现两颗质量与地球相当的行星。他们所提交的证据简直无懈可击,令人信服。令人震惊的是,这颗恒星不像太阳那样是一颗普通的恒星;这是一个脉冲星。

脉冲星是宇宙中最奇异的组成部分之一。它们是超新星在大质量恒星耗尽核燃料并趋于不稳定而产生爆炸的残留物。一颗脉冲星能将整个太阳压缩成一个直径只有20公里的球,这样太阳的密度就会大到一旦移动失误,其本身会发生坍缩然后变成一个黑洞。此外,它还能以每秒数百次的速度旋转,并发射出无线电波、x射线和足已造成致命伤害的辐射。

我们该如何给这位发现首个系外行星的候选人打分?他的观点是正确合理的。而且不论是当时还是现在人们都一致地相信他的说法。唯一的纠结点在于围绕脉冲星运行的物体是否有资格成为行星。

在这一点上,天文学家对行星的工作定义是,质量太小以至于不足以形成恒星或褐矮星的物体。脉冲星的发现使人们不得不在评估工作上更加审慎。也许“行星”这个词应该保留给围绕正常恒星运行的物体,而不是僵尸恒星。(现在你明白为什么2019年的诺贝尔奖颁奖词引用“围绕类太阳恒星运行的系外行星”这种说法了吧。)

一些天文学家坚持认为,行星一定是在年轻恒星周围物质的漩涡中形成的,而这并非是脉冲星的伴星的形成来源。据推测,行星是在超新星爆炸后形成的,因为它们不可能在灾难性的能量爆炸中幸存下来。也许一些爆炸的残留物在最终落下后便开始绕中子星旋转,而行星就是由这些物质形成的。然而,任何形式化商务定义都存在一个严重的问题,那就是对于“正常”行星的形成至今未能形成一套公认的参照理论。

这就导致天文学家们习惯于把由沃尔兹森及戴尔·弗雷所发现的天体称为行星。相反地,脉冲星行星则被视为“怪胎”,使得之后脉冲星相关的新发现也变得徒劳无益。即使唯一一颗目前已知有行星存在的脉冲星,支撑该说法的依据也并不牢靠。

让我们回头看1995年的情况。来自瑞士日内瓦天文台的两位天文学家米歇尔·麦耶和迪加德·奎洛兹一直在改进多普勒技术。早些时候,麦耶曾参与帮助莱瑟姆寻找行星。然后,他和他的学生奎洛兹决定自己去寻找行星。他们几乎终日站在一台法国望远镜前观测天体,因此他们能够比沃克或莱瑟姆观测到更多的恒星。

他们所观测的恒星中,有一颗名为“51peg”的类日恒星,这颗恒星以每秒50米的振幅来回移动,周期只有4.2天。这个信号暗示着在土星和木星之间存在着一颗质量最小的行星。天文学家对这个数据很满意,但轨道距离就不那么尽如人意了:从地球到太阳的距离只有二十分之一。

许多理论家坚持认为,巨行星不会形成于此。由于离恒星如此之近,这个围绕“51peg”旋转的物体的热度可达数千度。麦耶和奎洛兹还另一颗行星,这颗行星在后来被称为“热木星”,但根据有关行星形成的主流理论中,这种行星被认为是不可能存在的。

天文学界对此持怀疑态度,不仅因为这与他们的预期相矛盾,还因为这一领域的历史变化无常。有些人担心多普勒频移来自恒星的脉动,而不是轨道运动;还有些人觉得可能是5“51peg”的表面外凸,之后就会相当的频率向后下沉。

然而,在接下来的几年里,这些担忧都烟消云散了。所以说真的行星形成理论必须不断革新。

于是,麦耶和奎洛兹成为了持相信某种天体真正存在这一正确说法的第一人,而且大家都认为该天体是一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。同样重要的是“51peg”的发现与未经探索且似乎无边无际的新大陆的发现产生了同样的效果。从1995年开始,所发现行星和在这一领域工作的科学家数量呈指数增长。这就是为什么诺贝尔委员会认为麦耶和奎洛兹值得科学界的万众瞩目(以及50万美元)。

不过,当我戴上学究的帽子时,我会注意到,“51peg”是一颗行星的说法并非百分之百正确。请记住,多普勒方法只揭示了轨道运行物体的最小质量——真实质量可能更大。大到它的轨道可能恰好垂直于我们的视线。虽然这种巧合发生的可能性不存在,但在当时的想象局限下,“51peg”的伴星会被认为是一颗褐矮星。事实上,它是一颗行星。真正的质量最终是通过探测行星自身发散的光线而测量出来的,这种技术直到2015年才实现。

被命名为HD 209458b的系外行星是第一个准确测量出其质量的天体。在测量过程中,这颗行星在运行轨道中的位置恰好位于恒星的正前方并造成一次小型日食。这就消除了天文学家通常关于轨道方向的不确定性。日蚀是由两个相互竞争的小组在1999年发现的,一个小组由大卫·夏博诺(David Charbonneau)领导,另一个小组由格雷戈里·亨利(Gregory Henry)领导。虽然这一发现在技术层面更加明确,但历史上的这个时候,天文学界已经不再怀疑所发现的“51peg”和其他类似天体。

撇开学究气不谈,还有一点值得注意的是,尽管一开始伴随着许多错误,但系外行星的发现让我们少有地感受到它的奇妙之处,因为它的完成比预期来得更加轻松。通常,墨菲定律会占上风:每件事都比你想象的要难,要花的时间也比你想象的要长。在这种情况下,热木星的存在让事情变得简单起来,这是大自然给我们的意想不到的馈赠。热木星所产生的多普勒信号是最强烈的,仅靠几周的数据就可以进行探测和确认;没有必要等上几十年,而之前在沃克看来长时间的等待是探测新发现的必要条件。

事实上,并不是所有人都期待热木星。1956年,奥托·斯特鲁夫(Otto Struve)写了一篇简短的论文,指出多普勒的测量精度已经足以探测到大型行星,但前提是它们存在于微小的轨道上。撇开这样一颗行星可能是如何形成的问题不谈,他认识到没有任何物理定律能否定巨行星的存在。他的论文本可能使得天文学的一个全新领域由此产生,但事实上,这颗嫩芽还未绽放就已经在黑暗中凋零了。如果沃克能够观察到更多的恒星,那么这颗位于“51peg”附近的行星很可能是在20世纪60年代初被发现的,或者肯定是在20世纪80年代被沃克发现的。

当我极度悲观时,我试着回想这个故事。即使某个领域因为之前的错误观点而被扰乱,即使其他有才华的人曾经尝试过,即使理论家告诉你你的想法是错的——仍然可能有一道真正璀璨的虹彩等待着你的驻足。

该文章所表达的观点是作者的观点,不一定是《科学美国人》的观点。

关于作者

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乔希·韦恩

乔希·韦恩(Josh Winn)是普林斯顿大学(Princeton University)专门研究系外行星系统的几何结构的天文学家。

资料来源:尼克·希金斯

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