圖解系外行星發現史（1）

文 / 葉楠

早期研究與發現

自古以來，地球是人類賴以生存和繁衍生息的唯一家園。隨著文明的發展，我們逐漸發現在地球以外還有其他的行星，這些行星都圍繞一顆名為太陽的恒星不停旋轉。一個世紀以前，我們認識到太陽只是銀河系內的一顆普通恒星。整個銀河系包括多至4000億顆恒星，在銀河系之外還有無數的河外星系。在其他恒星附近是否也有行星圍繞它旋轉？是否也有類似地球的行星？在那些行星上是否也有生命存在？這些想法一旦產生，便吸引著一代又一代人為之著迷，為之探索。16世紀，意大利哲學家布魯諾不僅是哥白尼日心說的支持者，他還提出其他恒星與太陽是類似的，在它們周圍也有行星相伴的觀點。18世紀，牛頓在他的《自然哲學之數學原理》的結語中也提到過類似的觀點。

系外行星是指圍繞除太陽外其他恒星公轉的行星系統。我們的太陽在銀河系中是一顆普通的中等質量恒星，在它的周圍有8顆大行星、5顆矮行星以及上百萬顆小行星。如果行星是普遍存在的，那么銀河系中數千億顆恒星系統中將會存在數量更多的行星。即使一個恒星系統中只擁有一顆行星，那整個銀河系也將擁有4000億顆行星，何況銀河系也只是宇宙中無數星系中的一個。如果我們能夠探測數量足夠多的系外行星，相信總有一天能夠找到適宜人類生存的另一個地球。迄今為止，人類對于系外行星的探尋究竟走到了哪一步呢？

探測系外行星的困難

1846年，天文學家加勒根據勒維耶的計算結果發現了太陽系內第8顆大行星海王星。海王星最亮時約7.8等，暗于人眼的目視星等極限6等，只能借助望遠鏡才能看到。這也是后續鬩神星、鳥神星、妊神星等矮行星直到21世紀后才被發現的根本原因。行星本身是不發光的，只能反射太陽光才有可能被我們看到。太陽系內的行星都如此暗弱，而其他恒星距離我們最近也在幾光年之外，想要在一顆明亮的恒星周圍去發現一顆要小得多同時也暗得多的行星，這在很長時間以來簡直就是天方夜譚。上圖中間位置的圓形黑洞是被日冕儀遮光板擋住的恒星，其右側是系外行星PDS 70b。恒星的光遠比行星強得多，只有依靠這種遮擋恒星的方法才有可能直接成像觀測到一些系外行星。

天狼星B的發現

1844年，德國天文學家貝塞爾發現天狼星的移動路徑有所變化，呈波浪形的曲線，由此推導出其應該還有一顆未被發現的伴星。1862年，美國天文學家克拉克用他自制的折射天文望遠鏡最先看到了這顆伴星。直到1915年，美國天文學家亞當斯利用威爾遜山天文臺的一臺口徑1.5米的望遠鏡才最終確認了天狼星B這顆白矮星的發現。圖為哈勃空間望遠鏡拍攝的天狼星（中間的亮星）及天狼星B（左下角星芒旁的小亮點）。之所以在這里介紹天狼星B是因為這與早期系外行星的探測方法有諸多相同之處。

尚未證實的系外行星

在海王星剛剛發現后不久，就有天文學家將目光移向了其他恒星周圍。在印度馬德拉斯天文臺工作的天文學家威廉·雅各布對蛇夫座70進行了長時間的觀測。蛇夫座70是由兩顆橙色恒星組成的雙星系統。他利用了和貝塞爾發現天狼星B同樣的辦法，在1955年發現蛇夫座70這兩顆恒星的運行軌跡出現了異常，懷疑在它們附近還有另一顆看不見的天體。1943年，羅伊爾和霍爾伯格聲稱計算出這個天體的質量只有太陽質量的千分之一，這個質量意味著它并不是一顆恒星，而是一顆行星。但后續并沒有觀測證實他們的計算。2006年，麥克唐納天文臺的一個研究團隊對蛇夫座70進行了更為細致的研究，并計算出如果存在系外行星的話，它的質量范圍應該在0.46～12.8倍木星質量之間。圖為藝術家筆下對這個最早被懷疑為系外行星的天體描繪的圖像。

巴納德星的行星

巴納德星是一顆質量非常小的紅矮星，是僅次于南門二距離我們第二近的恒星系統，只有不到6光年遠。美國天文學家愛德華·巴納德于1916年測量出它的自行速度為每年10.3角秒，或者說每100年它可以在天球上走半個月亮的距離，是地球上能看到的自行速度最快的恒星。美籍荷裔天文學家彼得·范·坎普從1938年就開始對巴納德星進行觀測，他一直聲稱發現了巴納德星的軌道“擺動”，并推算出巴納德星擁有兩顆行星。直到2018年，巴納德星附近真的發現了一顆系外行星，但這顆行星的質量遠低于坎普的計算，與之沒有任何關系。圖為巴納德星與太陽的大小對比示意圖。

少衛增八的系外行星

當一顆行星圍繞一顆恒星公轉，恒星同時也會圍繞兩者的質心公轉。只要公轉軌道平面不是恰好垂直于我們的視線方向，都可以通過光譜測量方法測量恒星譜線的多普勒效應來確定它的運動情況。這種探測系外行星的方法稱為徑向速度法，是2008年之前發現系外行星的主要方式。

1988年，加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾、G·沃克和斯蒂芬森·楊宣布他們利用徑向速度法發現有一顆行星圍繞少衛增八公轉。不過受限于當時的觀測設備，他們對這個結果也保持謹慎態度。其他天文學家傾向于認為這顆未知天體更可能是一顆褐矮星，褐矮星是質量介于恒星和行星之間的一類天體。直到2003年，隨著觀測設備的改進，證明了最初的結論是正確的，這確實是一顆系外行星，后被命名為少衛增八b或仙王座γb。圖為它的藝術想象圖，這是一顆大號的木星，質量是木星的1.6倍。系外行星的命名是以恒星名為前綴，后面加入小寫字母，從字母b開始往后排。遺憾的是由于確認時間較晚，少衛增八b并沒有成為人類發現的第一顆系外行星。

人類發現的第一個系外行星系統

PSR B1257+12是一顆毫秒脈沖星，于1990年由阿雷西博射電望遠鏡發現。中子星是宇宙中一類非常致密的天體，一顆典型的中子星質量大約是太陽的2倍，而直徑卻只有10千米。毫秒脈沖星是高速自轉的中子星，PSR B1257+12的自轉周期為6.22毫秒。1992年，天文學家沃爾茲和弗雷爾發現有兩顆行星圍繞這顆脈沖星轉動，它們的質量分別是地球的4.3倍和3.9倍，公轉周期分別是67天和98天。之后不久又發現了這個系統內的第三顆行星，這顆行星質量只有月球的2倍，公轉周期25天。圖為模擬在距離脈沖星最遠那顆行星上看到的場景。

脈沖星、白矮星與系外行星

位于天蝎座方向的M4是一個年齡高達127億年的球狀星團，在其核心附近有一個非常奇特的雙星系統，由一顆脈沖星PSR B1620-26和一顆白矮星WD B1620-26組成。上世紀90年代初，由天文學家唐納德·貝克領導的團隊在研究這個雙星系統時發現它的譜線多普勒位移出現異常，這只有在第三個天體存在時才能予以解釋。1993年，天文學家終于確認了這顆系外行星的存在，這是一顆質量為2.5倍木星質量的超大行星。這顆巨大的氣態行星環繞著由脈沖星和白矮星組成的雙星系統運行，周期約為100年。圖為這個行星系統的藝術想象圖。

飛馬座51b

飛馬座51是位于飛馬座方向的一顆與太陽類似的黃色恒星，距離我們約50光年，年齡約70億年，它的質量、半徑和光度分別是太陽的1.1倍、1.2倍和1.3倍。1995年10月6日，瑞士天文學家邁耶和奎羅茲宣布利用法國上普羅旺斯天文臺的攝譜儀，根據飛馬座51的譜線攝動發現了環繞其運行的系外行星飛馬座51b。10月12日，美國天文學家馬西和巴特勒確認了這個發現。飛馬座51b的質量下限是0.47倍木星質量，軌道半徑為0.05倍日地距離，公轉周期4.2天。這是人類首次在一顆正常恒星周圍發現系外行星，這一發現也獲得了2019年諾貝爾物理學獎。圖為飛馬座51b與其母恒星的藝術想象圖。

預言巴納德星擁有系外行星的坎普畢生都堅信在其他恒星系統中必然有系外行星的存在。坎普于1995年去世，同年飛馬座51b被發現。雖然坎普并沒有直接發現任何系外行星，但他堅持的理念卻在他離世后不斷被一個又一個發現所證實。除了直接成像法和徑向速度法之外，新的觀測手段層出不窮，尤其是進入21世紀以后，人類發現系外行星的步伐越走越快。