物理群星
1995 天体与宇宙学

第一颗围绕类太阳恒星的行星

51 Pegasi b — The First Exoplanet Around a Sun-like Star

一颗木星量级的行星贴着恒星四天转一圈——这在太阳系里根本不该存在,却让「别处有没有行星」第一次有了答案。

当时的困境

别的恒星周围有没有行星?这个问题问了四百年,一直卡在同一处:看不见。

行星自己不发光,只反射一点星光,而它紧挨着一颗亮它十亿倍的恒星。就像要在探照灯旁边找一只萤火虫。

于是只能测间接效应:行星拖着恒星绕共同质心画小圈,恒星的谱线会周期性地一红一蓝。麻烦是这个效应太小——木星让太阳每秒挪动约 12 米,地球只让它挪动 9 厘米。1980 年代的摄谱仪,精度普遍在每秒几十米上下,勉强够看,但也刚好够骗人。

这一行还背着不良记录。二十世纪多次「发现」行星的报告后来都被证明是仪器的系统误差,最有名的一例是 1960 年代对巴纳德星的宣称。1992 年,沃尔什赞与弗雷尔在一颗毫秒脉冲星周围找到了行星,那是真的,但脉冲星是恒星死亡后的残骸,那种系统与太阳全无相似之处。

更要命的是理论上的成见。按太阳系这唯一的样本,巨行星应该在远处:木星离太阳 5 个天文单位,绕一圈近十二年。所以搜寻计划都按十年以上的时间尺度设计,谁也没打算盯着一颗星连看四天。

洞见时刻

马约尔的团队走的是另一条路。他们的老本行是用互相关方法测恒星视向速度,用于双星统计;1990 年代初上普罗旺斯天文台的 ELODIE 摄谱仪把精度做到了每秒 13 米,观测名单上排了 142 颗类太阳恒星——样本比同行大得多。

1994 年秋天,博士生奎洛兹在 51 飞马座的数据里看到了规则的摆动:周期约四天,幅度每秒 59 米。

第一反应必须是怀疑自己。恒星脉动、黑子随自转进出视野,都能伪造周期信号。他们做了一系列检验,其中关键的一条是看谱线的形状:恒星表面在闹腾时,谱线轮廓会变形;真有行星在拖它时,整条谱线只是原样平移。

排除完了,剩下的结论令人不安——一颗至少 0.47 个木星质量的天体,绕在离恒星 0.05 天文单位处,是日木距离的百分之一,表面温度上千度。

1995 年 10 月 6 日,他们在佛罗伦萨的一场会议上公布。这一次,那个最可疑的特征救了他们:周期只有四天,别人盯几个晚上就能看完好几圈。几天之内,美国的马西与巴特勒等两个小组用各自的设备确认了同一颗行星。

涟漪效应

第一件被改写的是行星形成理论。这么大的行星不可能在离恒星 0.05 天文单位处形成——那里温度太高、物料太少。唯一的解释是它生在远处,然后迁移了进来:年轻的原行星盘与行星之间交换角动量,把行星一路往内拖。迁移此前有人算过,但没人认真当回事。热木星逼着所有人重算一遍太阳系为什么长成今天这样。

第二件是方法的爆发。2000 年,人们第一次看到系外行星凌星——行星从恒星面前经过,星光按半径比的平方掉一点点。视向速度给质量,凌星给半径,两者一合就是密度:这颗行星到底是气球还是石头。2009 年发射的开普勒望远镜盯着一片天区连看数年,把行星从「几十颗」变成「几千颗」。

第三件是尺度的下沉。1995 年能测到的是热木星,2003 年 HARPS 把精度推到每秒 1 米,海王星质量与超级地球接连出现。2017 年,人们在四十光年外的一颗超冷矮星周围找到七颗类地行星,其中几颗落在温度允许液态水存在的范围里。

今天还多了一件当年不敢想的事:用哈勃、韦布这样的望远镜分析行星大气的透射光谱,直接查它有没有水汽、甲烷、二氧化碳。

如果没有它

在 1995 年之前,「宇宙里还有别的世界吗」是一个哲学问题——布鲁诺为类似的主张付出过代价,而四百年后,它仍然只能靠猜。

51 飞马座 b 把它变成了观测科学。此后三十年,已知的系外行星以千计,其中一部分位于宜居带;「地球是不是特殊的」不再是信念问题,而是一个可以逐条统计、逐颗测量的课题。

顺带地,它给了一个关于科学方法的提醒:那颗行星之所以晚被发现,不是因为信号太弱——59 米每秒在当时已经量得到——而是因为没有人去那个周期上找。理论预期决定了观测计划,而理论预期只有一个样本。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.马约尔与奎洛兹《一颗类太阳恒星的木星质量伴星》,《自然》第 378 卷第 355 页(1995)
  2. 2.沃尔什赞与弗雷尔《毫秒脉冲星 PSR 1257+12 周围的行星系统》,《自然》第 355 卷第 145 页(1992)——更早,但绕的是脉冲星
  3. 3.马西与巴特勒《室女座 70 的行星伴星》,《天体物理学杂志快报》第 464 卷第 L147 页(1996)
  4. 4.沙博诺、布朗、拉瑟姆与马约尔《探测到行星凌过一颗类太阳恒星》,《天体物理学杂志快报》第 529 卷第 L45 页(2000)
  5. 5.博鲁茨基等《开普勒行星探测任务:概述与首批结果》,《科学》第 327 卷第 977 页(2010)
  6. 6.吉隆等《近邻超冷矮星周围的七颗温带类地行星》,《自然》第 542 卷第 456 页(2017)