寻找“河外行星”

张唯诚

螺旋状的涡状星系（ 左） 可能是人类在银河系外发现的第一颗行星的家园

20世纪90年代，天文学家们在太阳系之外首次发现了“飞马座51b”，这是一颗绕着和太阳相似的恒星运行的行星，天文学家们称之为“系外行星”。这一发现开启了人类寻找系外行星的探索之旅。截至目前，人类已在太阳系之外发现了4800余颗系外行星，它们大小不一，形态各异，所呈现的万千姿态和神秘气象大大拓展了人类对宇宙的认识。

然而，系外行星虽然存在于太阳系之外，却没有超出银河系的范畴。因为站在我们自己的星球上放眼望去，银河系太大了，即便使用目前最先进的技术，人类发现的最遥远的系外行星也依然存在于银河系之内。

天文学家们推测，银河系之外应该同样存在着行星，它们应该也围绕着银河系之外的恒星运行。这样的想法和当年人们寻找系外行星的想法十分相似。当时许多天文学家都相信系外行星是存在的，太阳系中的行星不会是宇宙中的仅存。正是这种对遥远世界的猜想和追问，触发了人类对系外行星世界的探索。

那么，银河系之外究竟是否存在着行星呢？答案很有可能就隐藏在一个名为“涡状星系”的河外星系之中。这个星系距离地球约2800万光年。2021年10月25日，天文学家们在《自然天文学》上发表文章认为，一个遥远的行星世界可能正在围绕着涡状星系中的两颗恒星运行，天文学将迎来一个发现河外行星的新时代。

其实，科学家们很早就有寻找河外行星的想法，然而他们也明白，在银河系之外的其他星系中寻找行星实在是太难了。因为在望远镜拍摄的图像中，遥远星系中的恒星会变得非常模糊，以至于无法一颗颗地分开它们。在这种情况下，寻找存在于这些恒星周围的行星自然就难上加难了。

然而，突破口终于找到了。2018年，美国哈佛大学史密森天体物理中心的天体物理学家罗赞·迪·斯蒂法诺和她的同事尼娅·艾玛拉想出了一个克服这一困难的方法。两位科学家将目光投向了一種名为“X射线双星”的恒星系统。

X射线双星是一种发射强烈X射线辐射的双星系统，这种双星多由一颗大质量恒星和一颗致密星（如中子星和黑洞）组成。致密星密度非常大，因此具有很强的引力，于是邻近恒星中的物质就被致密星拉了出来并落入致密星，这个过程被称为“吸积”。吸积使物质达到极高的温度并产生强烈的X射线辐射，这种辐射甚至在银河系之外的其他恒星群中也显得十分突出。因此，X射线双星能相对容易地被天文学家们发现。

一颗大质量恒星发生了爆炸

两位科学家设想，如果一颗行星围绕X射线双星运行，那么站在地球上观测，它会在这个恒星系统的前面经过，于是在很短的一段时间内，行星会阻挡来自该恒星系统的X射线，有关X射线的信号会缺失一段时间，这些丢失的信号就能表明这颗行星的存在。这种方法其实与搜寻系外行星的“凌星法”类似。凌星法的工作原理，也是捕捉行星经过恒星表面时恒星光度的微弱变化，这需要望远镜对光线非常敏感。不同的是，在利用X射线源搜寻河外行星的时候，天文学家们需要使用观测X射线源的X射线望远镜来完成这项工作。

科学家们很快就想到了钱德拉X射线太空望远镜，这架望远镜自1993年升空以来，观测了很多宇宙X射线源，已经积累了不少数据。研究人员察看了其中的部分数据，这些数据是这架望远镜在观测涡状星系、风车星系和草帽星系的过程中积累的。科学家们要寻找的就是这些星系中的X射线双星的短暂变暗现象。

研究果然有了进展，他们发现了一个明显的类行星信号。这个信号出现于2012年9月20日，这一天，有一个物体阻挡了涡状星系中一个名为“M51-ULS-1”的X射线双星系统的X射线辐射，这个过程持续了约3个小时。对此，罗赞·迪·斯蒂法诺和她的团队成员都非常兴奋。

不过，这种X射线变暗现象的原因，也存在其他可能性。例如，假若一团气体云恰巧从这个恒星系统前面经过，这种X射线变暗现象也会发生。又比如，也许这个恒星系统释放的X射线本身发生了变化，它的X射线在一段时间内减弱了。科学家们考虑了这类可能，但都被排除了。他们认为，最难以排除的一种可能性就是一颗行星阻挡住了这些光线。他们将这颗尚未确定的可能存在的行星命名为“M51-ULS-1b”。

目前，研究人员的判断是，M51-ULS-1b的规模大约等同于土星，它正围绕着“M51-ULS-1”X射线双星运行，它与这个恒星系统的距离是地球和太阳距离的几十倍。对此，罗赞·迪·斯蒂法诺评价道：“我们的确有了一些发现，它给我们的感觉真的非常美妙。”

在河外星系中找到这颗行星需要非常巧合的时机。首先，它的轨道需要和地球上的观测者完美地对齐，只有这样，地球上的观测者才能发现它将恒星遮挡住的情景。其次，它必须在钱德拉X射线太空望远镜进行观测的时候，正好从X射线双星前面经过，这一巧合也非常难得。此外，其他的可能性是否完全能够排除还是值得商榷的。

对于这种质疑，科学家们并未急于辩解，他们承认发现M51-ULS-1b也许的确需要一些运气，但发现河外行星则应该是大势所趋，在银河系之外的浩瀚宇宙中一定还有许多行星有待发现。

在宇宙中寻找行星是天文学的一个重要领域。在银河系内，行星的存在是普遍的现象，那么在银河系之外的其他星系中，行星又会是一种怎样的存在呢？从这个视角上说，寻找河外行星就具有了特别重要的意义。

那么，M51-ULS-1b是否真是一颗河外行星？要证明这一点其实也不难，但需要时间。假若它真是一颗围绕X射线双星运行的行星，它一定会再次从它的宿主恒星面前经过，不过人们再一次见到它要等待很长的时间。

M51-ULS-1b，第一颗银河系外行星