首顆系外行星的發現故事：利用恆星擺動探測技術分析數據
新浪科技訊 北京時間11月2日消息，據國外媒體報道，1995年10月，兩位瑞士天文學家宣稱發現了首顆系外行星「飛馬座51b」。這一發現成為人類歷史上最重要的事件之一，該發現證明了太陽系並不孤單，激起了人類對系外生命的思考以及對人類在宇宙中的地位有了重新認識。20多年來，天文學家們發現了數千個系外世界，讓人們看到了發現系外生命的希望。
1995年1月一個寒冷的夜晚，法國上普羅旺斯天文台所在地區下起了大雨。一位名叫迪迪埃-奎洛茲的天文學研究生本打算進行天文觀測。但是，由於天氣不夠配合，奎洛茲不得不呆在實驗室中利用計算機分析數據。數據顯示，一顆名為「飛馬座51」的明亮恆星正在進行輕微的擺動，而這種擺動正是奎洛茲一直希望看到的現象，因為這意味著該恆星周圍可能存在一顆行星。在太陽之外的其它恆星周圍發現一顆行星可能算是人類歷史上最重要事件之一。
奎洛茲的發現被證明是正確的。隨著越來越多數據和證據的出現，他最終意識到這種擺動確實是由環繞恆星運行的行星引力所引起的。奎洛茲表示，「當時，我是世界唯一知道我找到了一顆行星。」美國加州大學天文學家史蒂夫-沃格特表示，「這一發現創造了歷史，也驚動整個天文學領域。」
在開普勒太空望遠鏡的幫助下，天文學家們發現了數千顆行星。據估計，我們的銀河中充滿了類地行星，可能有上千億顆與地球大小相當、存在液態水的行星，這些世界可能有生命的存在。2016年8月，天文學家報告稱，在距離我們最近的恆星半人馬座比鄰星周圍發現了一顆類地行星。在20多年前，當奎洛茲和他的導師、瑞士科學家米歇爾-梅傑宣稱發現首顆系外行星「飛馬座51b」時，沒人會想到20多年後的今天天文學會取得如此大的發展。在當時，奎洛茲和梅傑面對的並不是掌聲，而是質疑。
其實，奎洛茲和梅傑並不算是真正最早發現系外行星的人。早在1992年，美國天文學家亞歷克斯-沃爾茲森和戴爾-弗雷曾經發現過兩顆行星。不過，這兩顆行星並不是環繞像太陽這樣的恆星運行，而是在環繞一顆死亡的恆星運行，這樣的恆星也被稱為脈衝星，即快速旋轉同時又向宇宙中散發強大輻射的恆星屍體。如此怪異的行星系統並不適宜生命的存在。沃格特介紹說，「感覺它們根本不像行星，因為那裡的環境有如地獄一般。」天文學家也將這些環繞脈衝星運行的行星看作是宇宙異類，有意義但並不具開創性。
在類似太陽的正常恆星周圍尋找行星似乎很困難。但是，自1986年起，美國舊金山州立大學天文學家保羅-巴特勒和傑夫-馬西就已經開始搜索系外行星。他們也確實發現了奎洛茲所發現的恆星擺動現象。比如，太陽系最大的行星木星會導致太陽以大約每小時35公里的速度位移。巴特勒介紹說，在上世紀80年代之前，所有人測量的速度都沒有低於每小時1000公里。為了探測這種恆星擺動，天文學家們必須要測量恆星的光譜，以及星光是如何散射成組成波長。當恆星靠近或遠離我們時，其光線的波長會相應地變短或變長。這種細微的變化被稱為「多普勒頻移」。為了能夠找到行星，巴特勒等人對所有不確定性進行了估測。「我們的目標就是發現行星。」
突破出現於1980年代初。兩位加拿大天文學家布魯斯-坎貝爾和戈登-沃克爾採用一種最先進的技術，測量到恆星擺動的速度低達每小時54公里。這種靈敏度本可以幫助他們遠早於奎洛茲之前發現首顆系外行星。但是，布魯斯-坎貝爾和戈登-沃克爾不夠幸運。為了達到一定的精度和靈敏度，布魯斯-坎貝爾和戈登-沃克爾在望遠鏡中放了一個盛滿氟化氫氣體的容器。這種氣體可以吸收特定波長的星光，從而形成新的光譜。但是，任何溫度的波動或其它失誤都有可能影響氣體及恆星的光譜。如果天文學家發現恆星光譜中的頻移，那麼他們可能得出這是多普勒頻移。但是，有一個問題是，氟化氫是一種有毒氣體。巴特勒介紹說，「如果皮膚上沾上氟化氫，它可能會燒壞你的神經細胞而且讓你沒有疼痛感，它甚至會腐蝕進你的骨頭裡。如果你不幸吸入氟化氫蒸汽，你可能當天就會死去。」巴特勒的解決方案是用碘氣來替代。到1995年5月，他們所測得的速度已達到一個新記錄，即每小時10公里。
然而，五個月後他們聽到了來自歐洲的最新進展，有其他人發現了「飛馬座51b」。梅傑用了數月時間才確信「飛馬座51b」的存在。梅傑要求奎洛茲做更多的分析。如今在劍橋大學工作的奎洛茲表示，「當時我還是個學生。」他的論文設計的內容就是研究如何製造後來探測到「飛馬座51b」的工具。保羅-巴特勒和傑夫-馬西等人是利用現有儀器，而奎洛茲的設備則可以儘可能地隔離星光。奎洛茲和梅傑利用光纖來保證光線的純度和穩定性，將天文望遠鏡中無法預測的環境中的星光引導進入一個溫控設備測量其光譜。如今，這樣的技術仍然是通過探測恆星擺動來搜尋行星的重要手段。
奎洛茲和梅傑在對觀測數據進行反覆分析同時，他們的保密工作也做得非常好。直到1995年10月6日，他們才在義大利佛羅倫薩的一次天文學會議上充滿自信地宣布自己的發現。巴特勒表示，「這樣的發現讓我們震驚。」當時，大多數天文學家均持懷疑態度。此前，有許多人都聲稱發現了系外行星，但最終都被證明是錯誤的。
此外，「飛馬座51b」本身也有問題。這顆行星像木星一樣，是一個大氣球。怪異的是，它的軌道周期只有四天時間。而且，它與主恆星的距離僅為水星與太陽距離的六分之一。這樣的距離太過接近，導致其表面溫度高達1000攝氏度。如此高的氣溫讓其大氣層膨脹到比木星還要大50%，雖然它的質量僅為木星的47%。因此，它也被稱為「熱木星」。「飛馬座51b」的各種特點都與科學家對行星的認識相悖。
在太陽系中，像木星這樣的巨型氣體行星離太陽較遠。這些行星含有氣體、冰以及易揮發化合物，因為這些物質在距離太陽較近的較熱環境中往往無法存在。因此，科學家一般認為只有像地球這樣的小型岩質行星才有可能形成於太陽系內層，而巨型氣體行星往往形成於太陽系外層。正是因為「飛馬座51b」具有「熱木星」的特點，科學家們才對其持懷疑態度。巴特勒表示，「當時人們的普遍觀點是，所有行星系統都應該與我們的地球相類似。」
巧合的是，一周後，保羅-巴特勒和傑夫-馬西也完成了一項為期四天的夜間觀測任務。每個夜晚，他們都在觀測指向「飛馬座51」的天文望遠鏡。一回來，他們就立即對觀測數據進行分析。巴特勒表示，「看到結果，我們震驚了。奎洛茲和梅傑是正確的。我們精確地匹配了他們的預言。」
沃格特當時並沒有與保羅-巴特勒和傑夫-馬西等人合作。但是，他也一直在關注這一發現。令他驚訝的是，那些數據正是他想要的，其實「飛馬座51b」並不難發現。由於軌道周期很短，因此只需要數天時間積累數據就足以發現恆星的擺動。雖然巴特勒和馬西一直在改進技術，堅持觀測並積累數據長達8年時間，但他們不懂得利用計算機來分析數據。隨著「飛馬座51b」的發現，有人認為保羅-巴特勒和傑夫-馬西可能隨時發現新的行星，並開始為他們提供計算機工具。1995年新年前夜，他前往辦公室分析一顆名為「處女座70」的恆星。他的計算機程序發現一顆比木星大七倍的行星，軌道周期為116天，其主恆星擺動速度為每小時1000公里以上。這種最明顯的跡象表明，這是一顆行星。
在巴特勒等人發現一個又一個行星時，由梅傑帶領的研究團隊也一直在努力。他們之間的競賽促成了數百顆行星的發現。在接下來的十年中，雙方的競爭更加激烈。早期發現的行星大多數是像「飛馬座51b」這樣的「熱木星」。由於這些行星體型巨大且太靠近主恆星，它們可以產生最有力的擺動，因此它們也最容易被發現。數年後，即使是最強烈的質疑者，也開始慢慢承認這些是真正的行星。
但是，這些行星是如何形成的呢？人們至今仍未搞清楚這一問題。一種最普遍的說法是類似木星那樣的位移。這些行星往往距離主恆星較遠，但由於與其它行星之間的萬有引力，它們會慢慢向內移動。但是，2016年8月，美國加州理工學院天體物理學家康斯坦丁-巴蒂金等人提出，恆星附近的環境並不影響類似木星的行星形成。這一觀點讓了人們對「熱木星」有了新的思考。
事實上，開普勒太空望遠鏡發現，大多數行星系統根本不像太陽系內的行星系統。這台太空望遠鏡已經發現了數千顆行星。「飛馬座51b」的發現採用的是擺動探測法，而開普勒太空望遠鏡則是通過觀測行星掠過恆星前方時產生的光線微弱變化來發現行星的存在。
如今，行星探索者已經能夠很容易發現類地行星。藉助開普勒太空望遠鏡和即將發射升空的「系外行星凌星觀測衛星」，天文學家將能夠發現更多的系外世界，從而幫助人們對行星的形成以及太陽系的獨特性有更深入的認識。下一代的天文望遠鏡將探測行星大氣層中的生命跡象。在未來的數十年中，人類或有望首次發現外星人存在的證據。（彬彬）
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