馬庫(kù)斯·吳

1995年1月的一個(gè)夜晚，法國(guó)南部的上普羅旺斯天文臺(tái)所在地區(qū)正下著雨。一位名叫迪迪埃·奎洛茲的天文學(xué)研究生本該進(jìn)行天文觀測(cè)，但因天氣原因觀測(cè)無(wú)法進(jìn)行，他只能坐在實(shí)驗(yàn)室里編寫(xiě)計(jì)算機(jī)編碼來(lái)分析目前搜集到的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)顯示，一顆名為“飛馬座51”的明亮恒星正在非常輕微地?cái)[動(dòng)。這種擺動(dòng)正是奎洛茲一直在尋找的“星球推撞”現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象說(shuō)明在這顆恒星周?chē)赡苡幸活w行星。

一顆行星圍繞另一顆恒星運(yùn)行，這可能是人類(lèi)歷史上最具影響力的發(fā)現(xiàn)之一，證明了太陽(yáng)系并不是唯一的此類(lèi)星系。這一發(fā)現(xiàn)將促使我們更進(jìn)一步了解其他星系是否存在生命，也重新定義了人類(lèi)在宇宙中的地位。

一

因此，奎洛茲必須保證這一發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)確性。最終，通過(guò)更多的數(shù)據(jù)分析，奎洛茲意識(shí)到這一擺動(dòng)現(xiàn)象確實(shí)存在，是由圍繞該恒星運(yùn)行的行星引力作用引起的?？迤澱f(shuō)：“當(dāng)時(shí)，我是世界上唯一知道我發(fā)現(xiàn)了一顆行星的人。”但他也知道他的這一發(fā)現(xiàn)可能是錯(cuò)誤的，概率很高?！拔铱梢愿嬖V你，當(dāng)時(shí)我真的很害怕?！?/p>

他的發(fā)現(xiàn)是正確的，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的天文學(xué)家史蒂夫·沃格特表示：“這一發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了歷史，也震驚了整個(gè)天文學(xué)界?！?/p>

今天，在開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的幫助下，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。據(jù)估計(jì)，我們的銀河系擁有數(shù)千億顆行星，其中不乏一些類(lèi)地行星，且存在液態(tài)水。這些有生命存在的潛在可能性讓我們感到興奮。2016年8月，天文學(xué)家報(bào)告稱(chēng)，在離太陽(yáng)系最近的恒星半人馬座比鄰星周?chē)l(fā)現(xiàn)了一顆繞軌道運(yùn)行的類(lèi)地行星。

但在20年前，當(dāng)奎洛茲和他的導(dǎo)師、瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·梅杰教授宣布發(fā)現(xiàn)首顆系外行星飛馬座51b時(shí)，沒(méi)有人能預(yù)測(cè)到20年后的今天，天文學(xué)界的這些發(fā)展。在當(dāng)時(shí)，這是一個(gè)瘋狂的論斷，并且在科學(xué)界，這一發(fā)現(xiàn)面對(duì)的并不是喝彩，而是懷疑。

其實(shí)，梅杰和奎洛茲并不是真正最早發(fā)現(xiàn)系外行星的人。

1992年，美國(guó)天文學(xué)家亞歷克斯·沃爾茲森和戴爾·弗雷曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)兩顆行星。但這兩顆行星并非繞像太陽(yáng)這樣的正常恒星運(yùn)行，而是在繞一顆死亡的恒星運(yùn)行。這種死亡恒星被稱(chēng)為脈沖星，自轉(zhuǎn)速度快，并向太空放射強(qiáng)大的輻射光束。

這樣一個(gè)怪異的行星系統(tǒng)并不適宜生命存在。沃格特表示：“那里的環(huán)境如地獄一般，感覺(jué)起來(lái)并不像行星?！?/p>

天文學(xué)家將這些繞脈沖星運(yùn)行的行星視為宇宙異類(lèi)，有趣但并不具突破性。此后，天文學(xué)家僅發(fā)現(xiàn)了三顆繞脈沖星運(yùn)行的行星。

尋找圍繞像太陽(yáng)一樣的正常恒星運(yùn)行的行星似乎太困難了，卡內(nèi)基科學(xué)院的一位天文學(xué)家保羅·巴特勒表示：“如果你去參加一個(gè)天文學(xué)會(huì)議，當(dāng)人們問(wèn)你從事什么工作時(shí)，你不能說(shuō)你在尋找行星。否則他們會(huì)迅速?gòu)哪闵磉呑唛_(kāi)，就像你身上有難聞氣味似的。你還不如聊一聊小綠人呢。”

二

早在1986年，美國(guó)舊金山州立大學(xué)的保羅·巴特勒和杰夫·馬西就已開(kāi)始搜索系外行星了。

保羅·巴特勒和杰夫·馬西試圖通過(guò)使用沃格特的最新型設(shè)備來(lái)偵測(cè)與奎洛茲發(fā)現(xiàn)的“恒星擺動(dòng)”相同的現(xiàn)象。例如，太陽(yáng)系中最大的行星木星會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)以大約每小時(shí)35千米的速度擺動(dòng)。

從數(shù)萬(wàn)億千米外監(jiān)測(cè)那些相對(duì)緩慢的速度并不容易。巴特勒表示，在20世紀(jì)80年代之前，沒(méi)有人能夠觀測(cè)到低于每小時(shí)1000千米的恒星擺動(dòng)速度。

為了探測(cè)這些恒星的擺動(dòng)，天文學(xué)家需要測(cè)量恒星的光譜，以及星光如何分裂成其組成波長(zhǎng)。當(dāng)恒星向你靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，其星光的波長(zhǎng)會(huì)相應(yīng)變短或變長(zhǎng)，這個(gè)微小的變化叫作“多普勒頻移”。問(wèn)題在于，觀測(cè)結(jié)果會(huì)受儀器的振動(dòng)、溫度的波動(dòng)及其他因素的影響。

為了有希望發(fā)現(xiàn)行星，巴特勒和馬西去除了實(shí)驗(yàn)中所有的不確定性因素。巴特勒表示：“我們的目標(biāo)始終是尋找行星，這一點(diǎn)深深印在我們的腦海中。但當(dāng)前，我們需要面對(duì)的是技術(shù)挑戰(zhàn)。”

突破出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初期。兩位加拿大天文學(xué)家布魯斯·坎貝爾和戈登·沃克爾開(kāi)拓性地采用一種新技術(shù)，能夠測(cè)量到低至每小時(shí)54千米的恒星擺動(dòng)速度。巴特勒表示，這種靈敏度本可幫助這兩位加拿大天文學(xué)家遠(yuǎn)早于奎洛茲和梅杰發(fā)現(xiàn)首顆系外行星，但是，他們沒(méi)有這么幸運(yùn)。

三

為了達(dá)到精確性，坎貝爾和沃克爾在望遠(yuǎn)鏡中放置了一個(gè)裝有氟化氫氣體的容器。這種氣體能夠吸收特定波長(zhǎng)的星光，生成光譜。但是，任何溫度波動(dòng)或其他失誤都會(huì)對(duì)氣體及恒星的光譜產(chǎn)生影響。如果天文學(xué)家通過(guò)氟化氫氣體觀測(cè)到恒星光譜發(fā)生頻移，那么他們就可以認(rèn)定這是多普勒頻移。

然而，問(wèn)題在于氟化氫有毒，非常危險(xiǎn)。巴特勒表示：“如果你皮膚上沾染了氟化氫，它會(huì)損壞你的神經(jīng)細(xì)胞，因此你并不會(huì)感覺(jué)疼痛，但它會(huì)一直腐蝕進(jìn)你的骨頭。如果你吸入氟化氫蒸汽，你當(dāng)天就會(huì)死去，而且沒(méi)人能夠救活你?！?/p>

對(duì)于這一問(wèn)題，巴特勒的解決方法是用碘蒸汽來(lái)代替，這需要花費(fèi)他們數(shù)年時(shí)間來(lái)改進(jìn)這一技術(shù)以及編寫(xiě)相應(yīng)的程序。1995年5月，他們將所能觀測(cè)的速度降低至每小時(shí)10千米，這是一個(gè)新的紀(jì)錄。然而就在5個(gè)月后，他們收到了來(lái)自歐洲的消息，有其他人發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b。

梅杰花費(fèi)數(shù)月時(shí)間來(lái)確認(rèn)飛馬座51b。他的懷疑態(tài)度是可以理解的，他要求奎洛茲做更多分析來(lái)排除其他非行星的可能性。如今在劍橋大學(xué)工作的奎洛茲表示：“我當(dāng)時(shí)還是一個(gè)學(xué)生，我的工作并不應(yīng)該是尋找行星。”

奎洛茲的論文是關(guān)于設(shè)計(jì)和制造用于觀測(cè)飛馬座51b的工具。巴特勒和馬西的觀測(cè)技術(shù)基于現(xiàn)有儀器，而奎洛茲和梅杰是從零開(kāi)始，自主制造。奎洛茲和梅杰并沒(méi)有使用氣體容器，而是使用光學(xué)纖維，這樣能夠盡可能地隔離星光來(lái)避免誤差。

四

光學(xué)纖維能夠保證光的純度和穩(wěn)定性。通過(guò)使用光學(xué)纖維，可以將星光從無(wú)法預(yù)測(cè)的天文望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部環(huán)境中引出，進(jìn)入一個(gè)溫控設(shè)備來(lái)測(cè)量其光譜。如今，這兩種方法仍然是通過(guò)探測(cè)恒星擺動(dòng)來(lái)尋找行星的重要手段。

梅杰和奎洛茲一直對(duì)他們的觀察結(jié)果保密，同時(shí)又在進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證分析。最終確認(rèn)后，他們于1995年10月6日，在意大利佛羅倫薩舉行的一次天文會(huì)議上宣布了自己的發(fā)現(xiàn)。

巴特勒表示：“這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓我們震驚?！?/p>

大多數(shù)天文學(xué)家對(duì)此持懷疑態(tài)度。他們理應(yīng)懷疑。先前，許多研究人員曾宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)了系外行星，但均被證實(shí)是錯(cuò)誤的。而且，飛馬座51b自身也有問(wèn)題。

飛馬座51b像木星一樣，是一個(gè)大氣球。但怪異的是，它的軌道周期僅為4天，而且它離恒星的距離僅為水星離太陽(yáng)距離的1/6。如此近的距離，致使其表面溫度高達(dá)1000℃。高溫使其大氣層膨脹到比木星大50%，要知道，它的質(zhì)量要比木星小47%。因此，飛馬座51b也被叫作“熱木星”，它的存在與科學(xué)家以往知道的所有行星信息相矛盾。

五

在太陽(yáng)系，像木星這類(lèi)巨型氣體行星離太陽(yáng)較遠(yuǎn)。這些行星含有氣體、冰以及揮發(fā)性化合物，這些物質(zhì)在離太陽(yáng)較近的較熱環(huán)境中無(wú)法存在。這就是為什么科學(xué)家以往認(rèn)為太陽(yáng)系內(nèi)層只能形成像地球一樣的小型巖質(zhì)行星，巨型氣體行星則形成于太陽(yáng)系外層。

正是“熱木星”的這些與常理相矛盾的特點(diǎn)讓許多科學(xué)家對(duì)其產(chǎn)生懷疑。巴特勒表示：“當(dāng)時(shí)人們普遍認(rèn)為，所有的行星系統(tǒng)都應(yīng)該與太陽(yáng)系相似。”

恰巧，一周后輪到巴特勒和馬西進(jìn)行為期4天的天文觀測(cè)。每天晚上，他們都將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)飛馬座51，而且盡快開(kāi)始處理數(shù)據(jù)。

巴特勒表示：“我們看到結(jié)果后驚呆了。梅杰和奎洛茲是正確的，我們精確地驗(yàn)證了他們的預(yù)測(cè)。”

當(dāng)時(shí)，沃格特并未參與巴特勒和馬西的研究，但他一直在關(guān)注他們的進(jìn)展。沃格特認(rèn)為，他們一旦知道要尋找什么，飛馬座51b并不那么難以發(fā)現(xiàn)。它的軌道繞行周期較短，因此天文學(xué)家僅需搜集幾天的數(shù)據(jù)，就足以推測(cè)出恒星擺動(dòng)現(xiàn)象。

沃格特表示：“如果探測(cè)系外行星真的這么容易，那么我們會(huì)發(fā)現(xiàn)很多，它們即將從天空走進(jìn)人們的視野?！币庾R(shí)到飛馬座51b只是一個(gè)開(kāi)始，沃格特也加入了尋找系外行星的隊(duì)伍。

巴特勒和馬西一直在改進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也在進(jìn)行恒星觀測(cè)，8年來(lái)他們積累了大量資料。但這兩人都不善于使用電腦對(duì)其進(jìn)行分析。隨著飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)，其他研究人員認(rèn)為巴特勒和馬西可能會(huì)隨時(shí)發(fā)現(xiàn)新的行星，并且把自己多余的計(jì)算機(jī)提供給他們使用。一切就像沃格特說(shuō)得那樣，越來(lái)越多的行星被揭開(kāi)了面紗。

六

1995年新年夜前的早晨，巴特勒走進(jìn)辦公室檢查電腦程序，當(dāng)時(shí)電腦正在對(duì)一顆名為“處女座70”的恒星進(jìn)行分析。太陽(yáng)剛剛升起，空蕩蕩的大樓仍然漆黑一片，巴特勒坐在桌前，他看到電腦程序顯示出一顆行星，這顆行星是木星的7倍大，軌道周期為116天，中心恒星的擺動(dòng)速度超過(guò)每小時(shí)1000千米。這是最明確、最清晰的信號(hào)，毫無(wú)疑問(wèn)，這就是一顆行星。

巴特勒表示：“一開(kāi)始我不敢相信，我盯著電腦足足看了1小時(shí)。我當(dāng)時(shí)有一種奇怪的感覺(jué)，仿佛開(kāi)普勒就在我身后凝視著?！?/p>

在美國(guó)天文學(xué)家接二連三地發(fā)現(xiàn)行星時(shí)，由梅杰帶領(lǐng)的歐洲天文學(xué)團(tuán)隊(duì)也在不斷取得突破。雙方的競(jìng)爭(zhēng)使得數(shù)百顆行星得以發(fā)現(xiàn)。在接下來(lái)的10年，競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。

大多數(shù)早期發(fā)現(xiàn)的系外行星都是像飛馬座51b一樣的“熱木星”。這些行星體積大且離中心恒星近，由它們引起的恒星擺動(dòng)最為強(qiáng)勁，所以最容易被發(fā)現(xiàn)。幾年后，甚至最為堅(jiān)定的質(zhì)疑者（曾將其解釋為“脈動(dòng)變星”、“雙恒星”以及“恒星耀斑”），也不得不承認(rèn)這些就是真正的行星。

但是，這些行星是如何形成的，至今也沒(méi)有答案。

其中一個(gè)最為普遍的解釋是，它們像木星一樣發(fā)生了行星移位。它們開(kāi)始形成時(shí)遠(yuǎn)離中心恒星，但之后受其他行星以及行星系形成時(shí)產(chǎn)生的塵埃和碎片的引力作用，逐漸向中心移動(dòng)。

2016年8月，美國(guó)加州理工學(xué)院的天體物理學(xué)家康斯坦丁·巴蒂金等人提出了一個(gè)大膽的觀點(diǎn)，認(rèn)為恒星附近的環(huán)境并不影響木星這類(lèi)行星的形成。事實(shí)上，許多“熱木星”就形成于其當(dāng)前所處的環(huán)境中。

總之，飛馬座51b促使天文學(xué)家的思維變得更開(kāi)放。麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家薩拉·西格表示：“飛馬座51b表明，一提到行星，一切皆有可能。它的發(fā)現(xiàn)給整個(gè)天文學(xué)界搭建起一個(gè)發(fā)現(xiàn)驚喜的舞臺(tái)?！?/p>

事實(shí)上，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)行星系統(tǒng)與太陽(yáng)系并不相同。自2007年發(fā)射升空以來(lái)，開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了數(shù)千顆系外行星。飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)時(shí)是根據(jù)偵測(cè)“恒星擺動(dòng)”，而開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡則是觀測(cè)行星掠過(guò)時(shí)星光的微弱變化。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)，行星軌道都是傾斜的，呈橢圓形，行星運(yùn)行方向與中心恒星自轉(zhuǎn)方向相反。有些行星同時(shí)繞兩顆恒星運(yùn)行。最為常見(jiàn)的行星都要比地球大，比地球膨脹。

七

如今，行星探索者的技術(shù)都很嫻熟，他們發(fā)現(xiàn)，在我們的比鄰星周?chē)幸活w可能含有液態(tài)水的類(lèi)地行星，離我們僅有4.2光年。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們星際旅行的宏偉計(jì)劃。

未來(lái)，在“開(kāi)普勒”等空間望遠(yuǎn)鏡以及即將發(fā)射的“系外行星凌星觀測(cè)衛(wèi)星”的幫助下，天文學(xué)家將發(fā)現(xiàn)無(wú)數(shù)個(gè)新世界。這些成果并非是個(gè)人的成果，而是全人類(lèi)的共同成果。這將幫助人們更深入地了解行星的形成以及太陽(yáng)系的獨(dú)特之處。

不久后，新一代的望遠(yuǎn)鏡將用于探測(cè)行星大氣層內(nèi)的生命跡象。在未來(lái)幾十年內(nèi)，我們或許會(huì)首次發(fā)現(xiàn)外星人存在的證據(jù)。

沃格特表示：“宇宙中是否存在其他生命是人類(lèi)需要弄清的一個(gè)基本問(wèn)題。這也是人類(lèi)曾設(shè)想的最為深刻的問(wèn)題之一。或者說(shuō)，如果我們能得出答案，這將撼動(dòng)我們的文化，以及我們整個(gè)思維觀念。”