南门二系统中一颗丢失的行星的故事

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

南门二系统中一颗丢失的行星的故事

□ 文 柯文采（Thijs Kouwenhoven） / 翻译 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

作为一名在恒星和行星领域工作的天文学家，我时刻关注着有关遥远的系外行星的最新发现。不久前网上出现了一连串这样的报道：在我们太阳系的边缘地区，可能发现了一颗新行星或者甚至是褐矮星。这让我感到非常惊讶。我对这些报道有点怀疑，就去找了那篇引出它们的科学论文。

让我把发生的事情简单概括一下。几年前，人们发现了一颗绕着我们的邻居——南门二（半人马座α）系统公转的行星。在这一发现公布之后，天文学家们试图对其做出独立的观测，却忽然找不到它了。取而代之的是，他们在视野里发现了另一个、有可能是我们太阳系成员的暗弱天体。人们只测出了这个奇怪天体的亮度、颜色和自行，却不知道它的距离。它有可能是在冥王星轨道之外的一颗与冥王星相似的天体，或者是更远距离上的一颗跟地球差不多大的行星，甚至是远得多的距离上的一颗褐矮星。尽管研究者对这些数据的解释十分谨慎，互联网上却炸开了锅。下面，我就把这个复杂的故事的来龙去脉给读者做一番说明。

我们邻居那儿有颗行星！

太阳是银河系众多恒星当中的一颗。在离我们约4光年远的地方，有离我们最近的另一颗恒星——比邻星，它和另外两颗星南门二A（半人马座αA）、南门二B（半人马座αB）共同组成一个三合星系统，称为南门二系统。其中，南门二A和B两颗星相互绕转的周期大约是80年，比邻星则在离南门二A/B很远的轨道上运行，周期在数十万年。比邻星是一颗非常暗弱的红色恒星，用肉眼并不能看到，而另外两颗星却是明亮恒星，跟太阳多少是相似的。由于离我们很近，来自全世界的好多课题组都把它们当作搜寻系外行星的目标。

目前已知的绝大多数系外行星，不是通过凌星法，就是通过视向速度法发现的。如果一颗行星的轨道指向合适，使得它刚好能运行到母恒星的前面，并且遮住恒星发出的一部分光——也就是发生“凌星”，我们就可以使用凌星法：对恒星的亮度进行长期的监测，将帮助我们发现行星的踪迹，并且推算出行星的大小和轨道信息。当然，这种方法只有在行星刚好能够周期性地从恒星前面经过的特殊情况下才有用。而在大多数情况下，天文学家使用视向速度法来发现系外行星。当一颗行星绕恒星公转时，它们之间的引力也会使恒星产生相应的运动。由于质量很大，恒星只是轻微地“摇摆”。我们虽然根本观测不到那颗暗弱的行星，对恒星却能进行非常细致的观测。事实上，我们可以通过恒星的光谱非常精确地测量它周期性的运动（摆动）。通过分析摆动的周期和幅度，我们就能够知道行星的存在，并且测出它的轨道周期和质量。

我们最近的邻居——南门二（半人马座α）三星系统，由南门二A、南门二B和半人马座比邻星（Proxim a Centauri）组成。左边的亮星是南门二A/ B。它实际上是这两颗星重叠在一起的影像，因为两颗星靠得实在太近了，所以在本图中并不能分辨开。比邻星太过暗弱，在图中无法看到，它所在的位置由红圈标出。右边的亮星是马腹一（半人马座β），它与南门二系统无关。图片来源：维基百科（Skatebiker摄，Canon 85m m f/1.8，11张叠加，每张曝光30秒）

面对南门二A/B，人们把这两种方法都用上了。虽然利用凌星法没有发现行星存在的证据，但视向速度法却给出了值得注意的结果：看来有一颗行星在绕南门二B公转。欧洲的一个天文课题组使用安装在智利拉西亚天文台（La Silla）的HARPS光谱仪做出了这一发现。据说这颗行星的轨道周期为3.24天，质量与地球差不多。这结果太重要了——一颗类似地球的行星绕着离我们最近的另一颗恒星在进行着公转！

“高精度视向速度法行星搜寻者”（HARPS）是一台位于智利的高精度光谱仪。它是世界上能用于视向速度法搜寻系外行星的最精密的仪器之一，目前已经探测到超过130颗系外行星。这台仪器由米歇尔•迈尔（Michel Mayor）监督制造，正是他发现了第一颗绕类太阳恒星公转的系外行星。

研究者将这颗新行星命名为南门二Bb（半人马座αBb），报告这一发现的论文发表在2012年10月16日的《自然》杂志上，第一作者是葡萄牙波尔图大学的研究生沙维尔•杜穆斯克（Xavier Dumusque）。他和来自世界各国的同事将这称作一个大发现——一颗地球大小的行星绕着一颗太阳大小的恒星运行，而这颗恒星是离我们最近的邻居。不过，这颗行星并不适合生命生存。如此短的轨道周期意味着轨道半径非常之小，行星的表面温度将高达1200摄氏度。这样高的温度足以融化很多岩石，因此可以说，南门二Bb是一个“熔岩世界”。

本图来自据称从中发现了行星南门二Bb的视向速度的测量结果，发表在著名的《自然》期刊上。横轴表示时间，纵轴表示南门二B的视向速度。文章作者正是基于这张图得出结论：有一颗行星在绕这颗恒星公转。不过这里应当指出两个问题。首先，红色圆点并不是测量数据，而是众多不同数据（绿点）的平均值；其次，绿点本身也不是直接测量的数据，它们是经过大量的校正之后得到的数值。虽然发现一颗邻近的系外行星候选者确实算是很大的发现，但是这些数据也表明，要确定南门二Bb是否真的存在，进一步的独立观测是非常必要的。图片来源：Dumusque et al, 2012, Nature, 491, 210

本图是一位艺术家绘制的南门二B b想象图，在新行星宣布发现后发表于《新科学家》（New Scientist）杂志上。由于轨道周期很短（只有3.24天）而母恒星是类太阳的南门二B，所以这颗行星的表面温度高得足以使岩石熔化。早在该发现刚刚公布的时候，天文学家就开始怀疑这颗行星是否真的存在了，这篇《新科学家》文章的标题正是：《第一颗绕最近恒星运行的地球质量行星也许只是幻觉》。图片来源：New Scientist (21O ctober 2015)

那颗行星去哪儿了？它真的存在吗？

不过这颗新发现的南门二Bb，其实从一开始就有点问题。由于它离我们很近，很多天文学家立刻着手观测，以确认这个发现。而且，另外一些手里有之前几年视向速度数据的天文学家，也开始重新分析他们的老数据，希望能找出这颗行星的踪迹。然而，没有人能在自己的数据里找到它。应该指出，杜穆斯克那时使用的HARPS设备是世界上最灵敏的。尽管如此，杜穆斯克在论文中得出的结论（Dumusque et al. 2012）还是受到了质疑。天文学家希望看到更多的证据。

为了让大家理解这有多困难，我们不妨先看一看用视向速度法探测系外行星的过程。

首先，需要精确测量恒星南门二B的视向速度。这本身就够有挑战性的了，但是让我们假设这个第一步已经做好。为了看出恒星的摆动，就必须多次测量它的视向速度：在很长一段时间里几百次、最好是几千次的精确测量。把这些数据按时间顺序排好，就得到了恒星视向速度随时间的变化。在南门二B的实际分析中还遇到了一些困难。由于行星引力的牵引，恒星会表现出微小的摆动，但来自它姊妹星——南门二A的引力，会让它产生更大的摇摆。因此，必须把这一影响从视向速度的测量结果中精确地排除出去。

其次，恒星的表面一直在变化，因此，它本身也会显出视向速度的变化。导致视向速度的测量值产生变化的过程包括：光球层米粒组织（恒星表面产生的对流泡，就像煮沸的水在锅中翻滚一样）、恒星自转以及由明亮的伴星南门二A带来的对于测光的污染。杜穆斯克的课题组从他们的测量结果中排除了所有这些因素产生的影响，最后看到剩下一个非常微弱的信号，他们认为这源于一颗地球大小的行星。这一（被认为是来自行星的）速度变化的测量值大约是0.5米/秒。换句话说，研究者们以1.8千米/小时的精度测量了一颗4光年远的恒星的运动速度。我走路的速度都比这要快多了！

考虑到这一模型中存在的不确定性所带来的噪声，一些著名天文学家给出了警告：也许南门二Bb根本就不存在！阿尔提•哈策斯（Artie Hatzes）是美国的系外行星观测者，他尊重HARPS测量数据本身的精度，但认为研究者用来校正数据、排除其他因素对视向速度的影响的模型并不可靠，所以他对这个发现非常怀疑。

德布拉•费舍（Debra Fischer）作为全世界系外行星领域的顶尖专家之一，对此则要乐观得多。她相信HARPS，同时也尊重研究者校正数据所用的模型。不过她提醒说，杜穆斯克的这个方法是第一次使用。虽然她倾向于相信其结果，但也表示在做出任何结论之前，来自其他课题组的独立测量都是绝对必要的。

不出所料，全世界的天文学家开始为重新发现南门二Bb而奋战。不幸的是，世界上绝大多数光谱仪都没有HARPS那样高的精度，而且，用视向速度法探测系外行星是要花年头的。凌星法依然一无所获，也就是说，如果南门二Bb真的存在，它的轨道并不经过它的母恒星南门二B的（正）前方。

2016年初，一个来自英国牛津大学的课题组（Rajpaul, Aigrain & Roberts, 2016）发现，南门二Bb甚至有可能并不存在。他们非常仔细地重新分析了杜穆斯克组的全部数据，发现那个3.24天的周期性信号几乎肯定是人为引起的：在选择观测南门二B的时间时，不幸地额外引入了这样一个周期。发生这种情况的概率非常小——小于千分之一。对此，拉伊保罗等人的文章（Rajpaul et al. 2016）评论说，杜穆斯克课题组的工作做得非常精确，只是他们这次真的太不走运了。

幸运地发现了太阳系内的新天体？还是没有？

就南门二系统中发现新行星进行的论战，在去年甚至引发了新的争论。一个由瑞典和墨西哥天文学家组成的课题组对南门二B和它附近的天空进行了精细地观测，并在2015年12月发表了他们的结果（Liseau et al. 2015）。他们检查了刚刚释放的ALMA（阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波射电阵，位于智利）在南门二B邻近天区的数据，宣称他们可能发现了我们太阳系中的另一颗行星。

他们在2014年和2015年用ALMA对南门二系统进行观测的时候，注意到一个穿过这一天区的快速移动的天体。从这个神秘天体的速度、亮度和颜色判断，他们认为它不可能是恒星，也不可能是属于南门二系统的天体。因此他们认为，这是属于我们太阳系的新天体，最有可能是处在太阳系外围的海王星外天体（也就是类冥王星的天体），到太阳的距离在冥王星的5到500倍之间。

正如读者所看到的，距离测得并不那么准。事实上，我们根本就不知道它的距离：我们只是根据经验做个估计，可能性还很多。我们在天空中看到一个具有某个亮度、以某个角速度划过的天体，它有可能是离我们很近的小天体，在空间中运动得也不快；或者，它是一个遥远的、巨大的天体，而且速度很快。它的成分也会对我们的判断有影响：远处的白色冰球要比近处的漆黑岩石块反射更多的阳光，看起来也更亮。

里索等人的论文（Liseau et al. 2015）中使用的阿塔卡玛大型毫米/亚毫米波射电阵（ALMA）对于南门二系统的观测结果。该图显示了两颗恒星南门二A与南门二B，以及一个神秘的移动天体，在图中以“天体U”标出，而在论文正文中则称为“南门二D（Alpha Cen D）”。左图摄于2014年夏天，右图摄于一年后。由于我们不知道天体U的距离，它可能是一个我们附近的暗弱天体（类似冥王星），也可能是太阳系外围一颗大质量的“超级地球”。图片来源：Liseau et al., 2015, arX iv:1512.02652

里索（Liseau）等人在他们的论文里提到了这些可能性。理论上说，这个天体可能是100天文单位处的与冥王星相似的天体，也可能是稍远地方的“超级地球”，或者甚至是20000天文单位之外的一颗冷却的褐矮星。换句话说，我们只知道有个什么东西，但不知道它到底是什么。

对此我同意里索等人（Liseau et al. 2015）谨慎的处理方式。他们以一种非常谨慎的方式，给出了所有的可能性。但是，互联网上的言论却往往不那么“小心”，诸如“太阳系行星家族再添新丁！”之类的大标题立刻就上来了。所以我建议大家对互联网上看到的东西要保持谨慎。毕竟谁都能在上面写下各种内容，而这些网页的作者并不一定是天文学领域的专家。

我们能从中学到什么？

天文学是一门复杂的科学。跟在所有其他科学领域中一样，经验（即观测）需要得到重复的验证，才能得出有力的结论。南门二Bb也许真的存在，也许不。里索等人发现的神秘天体也许只是冥王星的一个小兄弟，但也可能是更激动人心的东西。我们也许很快就能找出答案，因为有来自世界各地的天文学家在用自己的望远镜为之奋斗。这就是科学工作的方式。科学家也是人，他们有时也会犯错。因此，我们要在一起工作——而作为结果，我们的共同知识不断地增长，会为整个人类做出贡献。