尋找逆行行星

編譯 劉聲遠(yuǎn)

約翰·約翰遜至今還記得自己發(fā)現(xiàn)第一頭“藍(lán)獅子”的那個(gè)夜晚，當(dāng)時(shí)他正透過(guò)夏威夷島的死火山莫納克亞山巔的“昴星”望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空。當(dāng)晚早些時(shí)候，在他驅(qū)車經(jīng)過(guò)碎石路到達(dá)山巔前，他的合作伙伴焦?！ぞS恩從馬薩諸塞州打來(lái)電話，開(kāi)玩笑地說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)逆行行星，就在今晚?！?/p>

所謂逆行行星，是指在與母恒星自轉(zhuǎn)方向相反的軌道上圍繞母恒星公轉(zhuǎn)的行星。太陽(yáng)系里沒(méi)有這樣的行星，但包括約翰遜在內(nèi)的少數(shù)幾位天文學(xué)家，十分期待能在另一顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)逆行行星。身為美國(guó)加州理工學(xué)院科學(xué)家的約翰遜說(shuō)：“（尋找逆行行星）就好比踏上撞見(jiàn)一頭藍(lán)獅子的狩獵遠(yuǎn)征。”

藍(lán)色的獅子當(dāng)然很另類，恐怕永遠(yuǎn)都找不到，但自從1995年發(fā)現(xiàn)第一顆太陽(yáng)系以外的行星以來(lái)，大自然看來(lái)一直在向我們提供“綠斑馬”、“橙犀?！焙汀白弦芭！敝惲钊朔艘乃嫉臇|西。首先是“熱木星”——在比木星與太陽(yáng)之間的距離近得多的軌道上環(huán)繞母恒星運(yùn)行的行星。然后是腫脹的行星，其個(gè)頭相對(duì)于其質(zhì)量而言實(shí)在是過(guò)于龐大。質(zhì)量比地球大、卻又比海王星小的行星，在太陽(yáng)系中是不存在的，而在太陽(yáng)系以外并不鮮見(jiàn)。還有一些太陽(yáng)系外的行星的公轉(zhuǎn)軌道高度偏離正圓，在這一點(diǎn)上它們很像是太陽(yáng)系里的彗星。約翰遜說(shuō)：“當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)其他的恒星-行星系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有人料到它們與我們的太陽(yáng)系截然不同?！?/p>

直到最近，與母恒星反著轉(zhuǎn)的行星才被發(fā)現(xiàn)。少量小行星、海王星的衛(wèi)星特里同（海衛(wèi)一）及某些類型的星系也不按規(guī)則出牌（請(qǐng)參見(jiàn)相關(guān)鏈接《逆行衛(wèi)星》和《逆行星系》）。事實(shí)上，怪異的世界是如此之多，科學(xué)家現(xiàn)在開(kāi)始意識(shí)到，行星和其他天體的生命可能比他們?cè)?jīng)認(rèn)為的要復(fù)雜得多，我們所知的太陽(yáng)系行星可能不過(guò)是“冰山一角”。逆行行星啟發(fā)我們：還有很大一座“冰山”等待我們?nèi)グl(fā)掘。我們也許最終會(huì)發(fā)現(xiàn)：像地球這樣能在可居住地帶內(nèi)（與恒星的距離不遠(yuǎn)也不近，因而允許液態(tài)水的存在）穩(wěn)定存在的巖石行星，實(shí)際上只是宇宙中的一個(gè)特例罷了。

有關(guān)逆行行星的故事要從2005年講起。當(dāng)時(shí)約翰遜和維恩為太陽(yáng)系外的行星系統(tǒng)所驚，于是把注意力集中于這些系統(tǒng)的一個(gè)尚未被測(cè)量過(guò)的基本特征，而這個(gè)特征或許會(huì)帶來(lái)新的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)特征就是——行星軌道面與母恒星赤道之間的夾角。

在太陽(yáng)系中，這個(gè)夾角平均只有7°。也就是說(shuō)，太陽(yáng)系中所有行星都在太陽(yáng)自轉(zhuǎn)的方向上圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)，行星的軌道面幾乎與太陽(yáng)的赤道重合。這被認(rèn)為是太陽(yáng)系的形成過(guò)程（從一團(tuán)旋轉(zhuǎn)的氣體和塵埃云中形成）的一個(gè)直接后果。這團(tuán)云在自身引力下坍縮，變成一個(gè)扁平的自旋盤。約翰遜說(shuō)：“正因?yàn)樘?yáng)和太陽(yáng)系行星聚合自以相同方向旋轉(zhuǎn)的盤材料，所以太陽(yáng)系行星最終的軌道面與太陽(yáng)赤道同平面，公轉(zhuǎn)方向與太陽(yáng)自轉(zhuǎn)方向一致?！钡@就是故事的全部嗎？約翰遜說(shuō)：“考慮到太陽(yáng)系外的行星一直在捉弄我們，我們也對(duì)自己可能發(fā)現(xiàn)有趣的東西而滿懷信心?！?/p>

在檢查了9顆太陽(yáng)系外的行星的軌道后，約翰遜和維恩發(fā)現(xiàn)其中8顆的軌道面與各自的母恒星的赤道完美重疊，只有一顆的軌道面與母恒星的赤道有小小偏離。而此時(shí)，分配給他們利用莫納克亞山上的“凱克”望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)逆行行星的時(shí)間已不多。于是，他們又成功申請(qǐng)到相鄰的“昴星”望遠(yuǎn)鏡連續(xù)兩晚的觀測(cè)時(shí)間。然而，他們并非是尋找逆行行星的獨(dú)行俠，因?yàn)閬?lái)自英國(guó)大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)——“廣角尋行星”（簡(jiǎn)稱WASP）的一組科學(xué)家也在致力于找尋逆行行星。他們已發(fā)現(xiàn)了一顆近似逆行的行星，并把它命名為WASP-14，它的軌道偏離母恒星的赤道多達(dá)70°。雖然WASP-14還算不上真正的逆行行星，但對(duì)約翰遜和維恩來(lái)說(shuō)，它的發(fā)現(xiàn)暗示著還有更不同尋常的行星等待發(fā)現(xiàn)。

在運(yùn)用“昴星”望遠(yuǎn)鏡的第一夜觀測(cè)中，約翰遜通過(guò)探察來(lái)自恒星的光線的微妙變動(dòng)，測(cè)量WASP-14的自旋定向。隨著恒星自轉(zhuǎn)，它的一面后退，來(lái)自這面的光線紅移到較長(zhǎng)的波長(zhǎng)。與此相反，來(lái)自逐漸靠近的那一面的恒星光線藍(lán)移。當(dāng)行星從正前方經(jīng)過(guò)母恒星時(shí)會(huì)阻擋一部分的恒星星光，科學(xué)家通過(guò)比較紅移和藍(lán)移光線變暗的時(shí)間，就能知道行星是順著母恒星自轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)還是反著轉(zhuǎn)。運(yùn)用這種技術(shù)，約翰遜把英國(guó)同行的70°估計(jì)值修正為30°，這算得上一個(gè)大偏差。

第二晚，約翰遜觀測(cè)了一顆被稱為HAT-P-7的行星。這是一顆木星質(zhì)量的行星，在大約300光年外的一條圓形軌道上環(huán)繞母恒星。幾小時(shí)后，他開(kāi)始檢查測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)果令他目瞪口呆：行星軌道面與母恒星赤道之間的偏離幅度極大，HAT-P-7無(wú)疑是一顆逆行行星。他終于找到了一頭“藍(lán)獅子”！

這個(gè)發(fā)現(xiàn)是多么的“離經(jīng)叛道”，約翰遜遲遲未公布它，而是一遍又一遍地復(fù)核自己的測(cè)量數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)三周的埋頭苦干，他終于排除了對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)的所有其他解釋。

他和維恩很快寫了一篇論文并提交給著名的《科學(xué)》雜志，但得到的答復(fù)竟然是：英國(guó)WASP已搶先宣布發(fā)現(xiàn)了一顆逆行行星并把它命名為WASP-17b。約翰遜事后說(shuō)：“這是一場(chǎng)勢(shì)均力敵的較量，但生活就是這樣。我們是第二，我們只好把論文轉(zhuǎn)交給了《天體物理雜志》信箱。”

至今，已有6顆逆行行星被發(fā)現(xiàn)，其中5顆的發(fā)現(xiàn)者都是WASP團(tuán)隊(duì)。美國(guó)加州大學(xué)的天文學(xué)家喬夫·馬西說(shuō)：“逆行和錯(cuò)位的行星簡(jiǎn)直令人震驚，我至今不敢相信它們（的存在）。它們顛倒乾坤的軌道看來(lái)挑戰(zhàn)了我們從太陽(yáng)系所知的一切，包括我們的地球。”馬西發(fā)現(xiàn)的太陽(yáng)系外的行星比其他任何人都多。

行星怎么可能逆行呢？一種理論認(rèn)為，隨著行星從原行星盤（圍繞新生恒星的氣體和塵埃組成的盤）里形成，小天體和殘骸到處亂飛。在這場(chǎng)混沌中，三個(gè)天體之間可能發(fā)生大碰撞，其中一個(gè)被撞得如此厲害，以至于它的軌道方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)。海王星的大衛(wèi)星特里同即被認(rèn)為是在三個(gè)天體的小規(guī)模碰撞中被“敲”進(jìn)它的逆行軌道的。另一種理論認(rèn)為，逆行行星被俘獲自靠得太近的另一個(gè)恒星-行星系統(tǒng)；亦或不是行星，而是母恒星自行發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變得倒行逆施了。一些科學(xué)家提出，這種翻轉(zhuǎn)可能是由恒星磁場(chǎng)與旋轉(zhuǎn)的原行星盤的磁場(chǎng)交互作用導(dǎo)致的。

約翰遜看好的是由日本天文學(xué)家古在于1962年提出的一種機(jī)制，古在用它來(lái)解釋為什么一些小行星的軌道相對(duì)于行星軌道面來(lái)說(shuō)高度傾斜。根據(jù)古在機(jī)制，與行星和其他天體的引力交互可能讓一顆行星的軌道面嚴(yán)重傾斜，最終讓行星逆恒星而動(dòng)。也就是說(shuō)，行星軌道面偏離恒星赤道超過(guò)90°。

最近，約翰遜的團(tuán)隊(duì)研究了32顆錯(cuò)位行星的自旋軌道角度，以查明古在機(jī)制是否能解釋這些角度分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅依賴古在機(jī)制本身并不能解釋，但如果加上行星之間的碰撞因素，看來(lái)就能解釋了。

不管真相是什么，發(fā)現(xiàn)逆行行星這一事實(shí)表明，現(xiàn)有有關(guān)太陽(yáng)系形成過(guò)程的模型太過(guò)簡(jiǎn)單，太陽(yáng)系外不能用它解釋的東西實(shí)在太多。

迄今已發(fā)現(xiàn)超過(guò)500顆太陽(yáng)系外的行星，但科學(xué)家尚未獲得能代表太陽(yáng)系外的行星的一個(gè)完整樣本，這是因?yàn)槟壳暗奶讲旒夹g(shù)能發(fā)現(xiàn)的大多是質(zhì)量很大、距離母恒星又很近的行星，它們不能反映太陽(yáng)系外的行星的全景。誰(shuí)知道未來(lái)幾年里還會(huì)冒出哪些奇異的行星呢？約翰遜認(rèn)為，我們最終或許會(huì)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系才是一個(gè)真正的另類。換句話說(shuō)，地球生命是宇宙中的一個(gè)特例，外星人就算存在也很難找到，因?yàn)樗鼈兛赡芫嚯x地球遙不可及。

馬西對(duì)此看法表示認(rèn)同。他說(shuō)：“我們的太陽(yáng)系與眾不同。它的巖石行星存活在可居住地帶，盡管大行星曾經(jīng)可能從它們面前經(jīng)過(guò)，它們的軌道卻能一直保持近乎正圓。我們最終可能發(fā)現(xiàn)，像地球這樣大小合適、軌道為圓形的巖石行星實(shí)際上相當(dāng)罕見(jiàn)?！?/p>

逆行衛(wèi)星

海王星是太陽(yáng)系內(nèi)距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)的行星，也是太陽(yáng)系中唯一有大質(zhì)量逆行衛(wèi)星的家園。海王星圍繞轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，而它最大的衛(wèi)星特里同則反向圍繞海王星轉(zhuǎn)。

大衛(wèi)星形成于環(huán)繞新生行星旋轉(zhuǎn)的殘骸，因此它們應(yīng)該以行星自轉(zhuǎn)方向環(huán)繞行星。直徑為地球的1/5的特里同與海王星反著轉(zhuǎn)，暗示它起源于別處。最明顯的地方就是柯伊伯帶，這是由行星誕生后剩下的含冰碎石形成的一個(gè)遙遠(yuǎn)地帶。在柯伊伯帶邊緣長(zhǎng)大的嬰兒時(shí)期的海王星可能很容易遭遇柯伊伯帶天體，從而俘獲一個(gè)這樣的天體。麻煩是，只有在移動(dòng)速度慢得不得了的情況下，像特里同這樣大質(zhì)量的天體才可能被俘獲。

有一個(gè)解決辦法——假設(shè)特里同有一顆伴星。電腦模擬顯示，在一次三個(gè)天體與海王星的相遇中，特里同可以在犧牲伴星——把它逐出去的情況下降低自己的速度。

這樣的相遇并非不可想象，許多柯伊伯帶天體都已知擁有伴星。這個(gè)尚未找到的“幫兇”可能就是冥王星，它與特里同大小近似，它的軌道又與海王星的交叉。因此有科學(xué)家想象，冥王星與特里同原本是兄弟。也就是說(shuō)，特里同并非海王星的親生子，而是海王星抱來(lái)的養(yǎng)子，難怪它會(huì)這么叛逆。

逆行星系

宇宙中能量最高的天體可能都在做逆行運(yùn)動(dòng)。每個(gè)星系都被認(rèn)為有一個(gè)自旋的超大質(zhì)量黑洞，它吸入氣體形成環(huán)繞它的超熱物質(zhì)盤。但在一些星系——所謂“活動(dòng)星系”中，吸積盤中的氣體非常熾熱，其核心可以比所有恒星加在一起的亮度還高幾百倍。這樣的一些吸積盤，甚至能把自己的能量沿著薄噴流（或稱射流）發(fā)射到數(shù)百萬(wàn)光年遠(yuǎn)的地方，這些噴流戳進(jìn)了星系際介質(zhì)。

無(wú)人能肯定是什么導(dǎo)致了這些噴流，但據(jù)信它們由吸積盤中扭曲的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。正是這一點(diǎn)把逆向運(yùn)動(dòng)聯(lián)系了起來(lái)?？茖W(xué)家2010年2月公布了對(duì)活動(dòng)星系的模擬結(jié)果。他們的計(jì)算表明，擁有噴流的活動(dòng)星系的吸積盤相對(duì)于其黑洞反向旋轉(zhuǎn)，而在噴流較少的星系中，吸積盤與黑洞同向旋轉(zhuǎn)。

科學(xué)家因此推測(cè)，內(nèi)旋物質(zhì)為靠近反向旋轉(zhuǎn)的黑洞所需的角動(dòng)量大變，使得兩者的相遇幾乎不可能。這就在吸積盤內(nèi)緣與黑洞之間留下一道間隙，使得磁場(chǎng)在這里“堆積”，導(dǎo)致強(qiáng)勁的磁彈射力發(fā)射噴流。

然而，吸積盤最初是怎么變得逆向旋轉(zhuǎn)的呢？一種理論認(rèn)為，來(lái)自星系的氣流在進(jìn)入星系中央黑洞的過(guò)程中，遭遇與恒星形成過(guò)程有關(guān)的超新星和恒星風(fēng)的隨機(jī)反踢。這就意味著吸積盤有可能與自己的黑洞反向旋轉(zhuǎn)。一些科學(xué)家相信，逆行吸積盤可能是星系合并的基本條件。