首颗系外行星的发现

马库斯·吴

1995年1月的一个夜晚，法国南部的上普罗旺斯天文台所在地区正下着雨。一位名叫迪迪埃·奎洛兹的天文学研究生本该进行天文观测，但因天气原因观测无法进行，他只能坐在实验室里编写计算机编码来分析目前搜集到的数据。

数据显示，一颗名为“飞马座51”的明亮恒星正在非常轻微地摆动。这种摆动正是奎洛兹一直在寻找的“星球推撞”现象，而且这种现象说明在这颗恒星周围可能有一颗行星。

一顆行星围绕另一颗恒星运行，这可能是人类历史上最具影响力的发现之一，证明了太阳系并不是唯一的此类星系。这一发现将促使我们更进一步了解其他星系是否存在生命，也重新定义了人类在宇宙中的地位。

一

因此，奎洛兹必须保证这一发现的准确性。最终，通过更多的数据分析，奎洛兹意识到这一摆动现象确实存在，是由围绕该恒星运行的行星引力作用引起的。奎洛兹说：“当时，我是世界上唯一知道我发现了一颗行星的人。”但他也知道他的这一发现可能是错误的，概率很高。“我可以告诉你，当时我真的很害怕。”

他的发现是正确的，美国加利福尼亚大学的天文学家史蒂夫·沃格特表示：“这一发现创造了历史，也震惊了整个天文学界。”

今天，在开普勒空间望远镜的帮助下，天文学家已发现了数千颗系外行星。据估计，我们的银河系拥有数千亿颗行星，其中不乏一些类地行星，且存在液态水。这些有生命存在的潜在可能性让我们感到兴奋。2016年8月，天文学家报告称，在离太阳系最近的恒星半人马座比邻星周围发现了一颗绕轨道运行的类地行星。

但在20年前，当奎洛兹和他的导师、瑞士日内瓦大学的米歇尔·梅杰教授宣布发现首颗系外行星飞马座51b时，没有人能预测到20年后的今天，天文学界的这些发展。在当时，这是一个疯狂的论断，并且在科学界，这一发现面对的并不是喝彩，而是怀疑。

其实，梅杰和奎洛兹并不是真正最早发现系外行星的人。

1992年，美国天文学家亚历克斯·沃尔兹森和戴尔·弗雷曾经发现过两颗行星。但这两颗行星并非绕像太阳这样的正常恒星运行，而是在绕一颗死亡的恒星运行。这种死亡恒星被称为脉冲星，自转速度快，并向太空放射强大的辐射光束。

这样一个怪异的行星系统并不适宜生命存在。沃格特表示：“那里的环境如地狱一般，感觉起来并不像行星。”

天文学家将这些绕脉冲星运行的行星视为宇宙异类，有趣但并不具突破性。此后，天文学家仅发现了三颗绕脉冲星运行的行星。

寻找围绕像太阳一样的正常恒星运行的行星似乎太困难了，卡内基科学院的一位天文学家保罗·巴特勒表示：“如果你去参加一个天文学会议，当人们问你从事什么工作时，你不能说你在寻找行星。否则他们会迅速从你身边走开，就像你身上有难闻气味似的。你还不如聊一聊小绿人呢。”

二

早在1986年，美国旧金山州立大学的保罗·巴特勒和杰夫·马西就已开始搜索系外行星了。

保罗·巴特勒和杰夫·马西试图通过使用沃格特的最新型设备来侦测与奎洛兹发现的“恒星摆动”相同的现象。例如，太阳系中最大的行星木星会导致太阳以大约每小时35千米的速度摆动。

从数万亿千米外监测那些相对缓慢的速度并不容易。巴特勒表示，在20世纪80年代之前，没有人能够观测到低于每小时1000千米的恒星摆动速度。

为了探测这些恒星的摆动，天文学家需要测量恒星的光谱，以及星光如何分裂成其组成波长。当恒星向你靠近或远离时，其星光的波长会相应变短或变长，这个微小的变化叫作“多普勒频移”。问题在于，观测结果会受仪器的振动、温度的波动及其他因素的影响。

为了有希望发现行星，巴特勒和马西去除了实验中所有的不确定性因素。巴特勒表示：“我们的目标始终是寻找行星，这一点深深印在我们的脑海中。但当前，我们需要面对的是技术挑战。”

突破出现在20世纪80年代初期。两位加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔和戈登·沃克尔开拓性地采用一种新技术，能够测量到低至每小时54千米的恒星摆动速度。巴特勒表示，这种灵敏度本可帮助这两位加拿大天文学家远早于奎洛兹和梅杰发现首颗系外行星，但是，他们没有这么幸运。

三

为了达到精确性，坎贝尔和沃克尔在望远镜中放置了一个装有氟化氢气体的容器。这种气体能够吸收特定波长的星光，生成光谱。但是，任何温度波动或其他失误都会对气体及恒星的光谱产生影响。如果天文学家通过氟化氢气体观测到恒星光谱发生频移，那么他们就可以认定这是多普勒频移。

然而，问题在于氟化氢有毒，非常危险。巴特勒表示：“如果你皮肤上沾染了氟化氢，它会损坏你的神经细胞，因此你并不会感觉疼痛，但它会一直腐蚀进你的骨头。如果你吸入氟化氢蒸汽，你当天就会死去，而且没人能够救活你。”

对于这一问题，巴特勒的解决方法是用碘蒸汽来代替，这需要花费他们数年时间来改进这一技术以及编写相应的程序。1995年5月，他们将所能观测的速度降低至每小时10千米，这是一个新的纪录。然而就在5个月后，他们收到了来自欧洲的消息，有其他人发现了飞马座51b。

梅杰花费数月时间来确认飞马座51b。他的怀疑态度是可以理解的，他要求奎洛兹做更多分析来排除其他非行星的可能性。如今在剑桥大学工作的奎洛兹表示：“我当时还是一个学生，我的工作并不应该是寻找行星。”

奎洛兹的论文是关于设计和制造用于观测飞马座51b的工具。巴特勒和马西的观测技术基于现有仪器，而奎洛兹和梅杰是从零开始，自主制造。奎洛兹和梅杰并没有使用气体容器，而是使用光学纤维，这样能够尽可能地隔离星光来避免误差。

四

光学纤维能够保证光的纯度和稳定性。通过使用光学纤维，可以将星光从无法预测的天文望远镜内部环境中引出，进入一个温控设备来测量其光谱。如今，这两种方法仍然是通过探测恒星摆动来寻找行星的重要手段。

梅杰和奎洛兹一直对他们的观察结果保密，同时又在进行反复验证分析。最终确认后，他们于1995年10月6日，在意大利佛罗伦萨举行的一次天文会议上宣布了自己的发现。

巴特勒表示：“这个发现让我们震惊。”

大多数天文学家对此持怀疑态度。他们理应怀疑。先前，许多研究人员曾宣称发现了系外行星，但均被证实是错误的。而且，飞马座51b自身也有问题。

飞马座51b像木星一样，是一个大气球。但怪异的是，它的轨道周期仅为4天，而且它离恒星的距离仅为水星离太阳距离的1/6。如此近的距离，致使其表面温度高达1000℃。高温使其大气层膨胀到比木星大50%，要知道，它的质量要比木星小47%。因此，飞马座51b也被叫作“热木星”，它的存在与科学家以往知道的所有行星信息相矛盾。

五

在太阳系，像木星这类巨型气体行星离太阳较远。这些行星含有气体、冰以及挥发性化合物，这些物质在离太阳较近的较热环境中无法存在。这就是为什么科学家以往认为太阳系内层只能形成像地球一样的小型岩质行星，巨型气体行星则形成于太阳系外层。

正是“热木星”的这些与常理相矛盾的特点让许多科学家对其产生怀疑。巴特勒表示：“当时人们普遍认为，所有的行星系统都应该与太阳系相似。”

恰巧，一周后轮到巴特勒和马西进行为期4天的天文观测。每天晚上，他们都将望远镜对准飞马座51，而且尽快开始处理数据。

巴特勒表示：“我们看到结果后惊呆了。梅杰和奎洛兹是正确的，我们精确地验证了他们的预测。”

当时，沃格特并未参与巴特勒和马西的研究，但他一直在关注他们的进展。沃格特认为，他们一旦知道要寻找什么，飞马座51b并不那么难以发现。它的轨道绕行周期较短，因此天文学家仅需搜集几天的数据，就足以推测出恒星摆动现象。

沃格特表示：“如果探测系外行星真的这么容易，那么我们会发现很多，它们即将从天空走进人们的视野。”意识到飞马座51b只是一个开始，沃格特也加入了寻找系外行星的队伍。

巴特勒和马西一直在改进技术，同时也在进行恒星观测，8年来他们积累了大量资料。但这两人都不善于使用电脑对其进行分析。随着飞马座51b的发现，其他研究人员認为巴特勒和马西可能会随时发现新的行星，并且把自己多余的计算机提供给他们使用。一切就像沃格特说得那样，越来越多的行星被揭开了面纱。

六

1995年新年夜前的早晨，巴特勒走进办公室检查电脑程序，当时电脑正在对一颗名为“处女座70”的恒星进行分析。太阳刚刚升起，空荡荡的大楼仍然漆黑一片，巴特勒坐在桌前，他看到电脑程序显示出一颗行星，这颗行星是木星的7倍大，轨道周期为116天，中心恒星的摆动速度超过每小时1000千米。这是最明确、最清晰的信号，毫无疑问，这就是一颗行星。

巴特勒表示：“一开始我不敢相信，我盯着电脑足足看了1小时。我当时有一种奇怪的感觉，仿佛开普勒就在我身后凝视着。”

在美国天文学家接二连三地发现行星时，由梅杰带领的欧洲天文学团队也在不断取得突破。双方的竞争使得数百颗行星得以发现。在接下来的10年，竞争愈演愈烈。

大多数早期发现的系外行星都是像飞马座51b一样的“热木星”。这些行星体积大且离中心恒星近，由它们引起的恒星摆动最为强劲，所以最容易被发现。几年后，甚至最为坚定的质疑者（曾将其解释为“脉动变星”、“双恒星”以及“恒星耀斑”），也不得不承认这些就是真正的行星。

但是，这些行星是如何形成的，至今也没有答案。

其中一个最为普遍的解释是，它们像木星一样发生了行星移位。它们开始形成时远离中心恒星，但之后受其他行星以及行星系形成时产生的尘埃和碎片的引力作用，逐渐向中心移动。

2016年8月，美国加州理工学院的天体物理学家康斯坦丁·巴蒂金等人提出了一个大胆的观点，认为恒星附近的环境并不影响木星这类行星的形成。事实上，许多“热木星”就形成于其当前所处的环境中。

总之，飞马座51b促使天文学家的思维变得更开放。麻省理工学院的天文学家萨拉·西格表示：“飞马座51b表明，一提到行星，一切皆有可能。它的发现给整个天文学界搭建起一个发现惊喜的舞台。”

事实上，开普勒空间望远镜发现，大多数行星系统与太阳系并不相同。自2007年发射升空以来，开普勒空间望远镜发现了数千颗系外行星。飞马座51b被发现时是根据侦测“恒星摆动”，而开普勒空间望远镜则是观测行星掠过时星光的微弱变化。

开普勒空间望远镜发现，行星轨道都是倾斜的，呈椭圆形，行星运行方向与中心恒星自转方向相反。有些行星同时绕两颗恒星运行。最为常见的行星都要比地球大，比地球膨胀。

七

如今，行星探索者的技术都很娴熟，他们发现，在我们的比邻星周围有一颗可能含有液态水的类地行星，离我们仅有4.2光年。这一发现激发了人们星际旅行的宏伟计划。

未来，在“开普勒”等空间望远镜以及即将发射的“系外行星凌星观测卫星”的帮助下，天文学家将发现无数个新世界。这些成果并非是个人的成果，而是全人类的共同成果。这将帮助人们更深入地了解行星的形成以及太阳系的独特之处。

不久后，新一代的望远镜将用于探测行星大气层内的生命迹象。在未来几十年内，我们或许会首次发现外星人存在的证据。

沃格特表示：“宇宙中是否存在其他生命是人类需要弄清的一个基本问题。这也是人类曾设想的最为深刻的问题之一。或者说，如果我们能得出答案，这将撼动我们的文化，以及我们整个思维观念。”