卞毓麟

“游星”和行星

上古的初民早已發(fā)現(xiàn)，天空中的絕大多數(shù)星星仿佛構(gòu)成一幅固定不變的圖畫，隨天穹周而復(fù)始地轉(zhuǎn)動(dòng)著。這些固定的星星叫作“恒星”。

然而，有5顆亮星卻總是在眾星構(gòu)成的圖形間游移不定，沿著復(fù)雜的路徑在群星之間自西向東徐徐穿行。古希臘人稱它們?yōu)閜lanetes，意為“游蕩者”或“游星”。后來(lái)這個(gè)詞進(jìn)入英語(yǔ)，成了planet，即如今所說(shuō)的“行星”。

古人所知的5顆行星，就是水星（Mercury）、金星（Venus）、火星（Mars）、木星（Jupiter）和土星（Saturn）。此處括號(hào)中所列，是它們的國(guó)際通用名，均源自古代希臘-羅馬神話。

古代天文學(xué)家?guī)缀醵颊`以為地球位于宇宙的中心，日月、行星和恒星全都繞著地球轉(zhuǎn)。錯(cuò)誤的宇宙觀念使他們的探究走了許多彎路。直到16世紀(jì)，波蘭天文學(xué)家尼古拉·哥白尼（Nicolas Copernicus）終于提出“日心地動(dòng)說(shuō)”，闡明行星都繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，地球也是一顆繞著太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的行星；月亮是地球的衛(wèi)星，直接繞著地球轉(zhuǎn)。行星離太陽(yáng)由近到遠(yuǎn)的次序?yàn)椋核?、金星、地球、火星、木星和土星。太?yáng)同它的全部“隨從”一起構(gòu)成了太陽(yáng)系。

17世紀(jì)初，德國(guó)天文學(xué)家開普勒（Johannes Kepler ）發(fā)現(xiàn)了著名的行星運(yùn)動(dòng)三定律：

第一定律：行星運(yùn)行的軌道是橢圓，太陽(yáng)位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。

第二定律：行星的向徑在相等的時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積。

第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長(zhǎng)徑的立方成正比。

他在《宇宙諧和論》（1619年）一書中極其興奮地寫道：

領(lǐng)悟到這一真理，超出了我最美好的期望。大事告成，書已寫就，可能當(dāng)代就有人讀它，也可能后世方有人讀，甚至可能要等一個(gè)世紀(jì)才有人讀……這些，我就管不著了。

開普勒闡明了行星運(yùn)動(dòng)三定律

行星運(yùn)動(dòng)必定遵守開普勒闡明的這些定律，然而開普勒并不明白行星為什么會(huì)這樣運(yùn)動(dòng)。半個(gè)多世紀(jì)后，牛頓（Isaac Newton）又在探究這些定律的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。原來(lái)，行星之所以像開普勒描述的那樣運(yùn)動(dòng)，乃是由于它們與太陽(yáng)之間的萬(wàn)有引力在起作用。

發(fā)現(xiàn)新行星

直到18世紀(jì)中葉，人們普遍認(rèn)為土星軌道就代表了太陽(yáng)系的邊界。然而，1781年3月，德裔英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾（William Herschel）卻破天荒地發(fā)現(xiàn)了一顆比土星更遙遠(yuǎn)的新行星！赫歇爾想將新行星命名為“喬治星”，以示對(duì)英王喬治三世的尊敬。但是以神話人物命名行星的古老傳統(tǒng)還是占了上風(fēng)，人們將天神優(yōu)拉納斯（Uranus）的名字賦予新行星，在漢語(yǔ)中稱為“天王星”。在天文學(xué)中，將地球與太陽(yáng)的平均距離稱為一個(gè)“天文單位”。土星與太陽(yáng)相距9.54天文單位，天王星則與太陽(yáng)相距19.6天文單位。

赫歇爾活了84年，恰好等于天王星環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行的公轉(zhuǎn)周期。新行星的發(fā)現(xiàn)在社會(huì)公眾中激起了巨大的熱情，以至于英國(guó)浪漫主義大詩(shī)人濟(jì)慈（John Keats）讀到查普曼翻譯的荷馬史詩(shī)時(shí)因驚喜至極而留下了這樣的傳世名句（十四行詩(shī)《初讀查普曼譯荷馬》，1816年）：

于是我感到宛如一個(gè)瞭望天空的人，

正看見一顆新的行星映入他的眼簾。

萬(wàn)有引力定律使天文學(xué)與力學(xué)攀上了親，天體力學(xué)由是應(yīng)運(yùn)而生。天體力學(xué)可以讓人們根據(jù)天文觀測(cè)回溯行星以往的運(yùn)動(dòng)，還可以預(yù)告行星來(lái)日的行蹤。1821年，法國(guó)天文學(xué)家布瓦爾（Alexis Bouvard）據(jù)此計(jì)算木星和土星的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際觀測(cè)完全吻合。但對(duì)于天王星，結(jié)果卻總是令人不滿。僅僅過(guò)了9年，布瓦爾的計(jì)算結(jié)果已與實(shí)際觀測(cè)差了20″；到1845年，這種差值已經(jīng)超過(guò)2′。

天王星運(yùn)動(dòng)的“出軌”著實(shí)令天文學(xué)家煩惱。是天體力學(xué)方法失靈了？還是在遠(yuǎn)方另有一顆未露面的行星正用自己的引力拖著天王星的后腿？持后一觀點(diǎn)的人較多。但問(wèn)題的難處在于：人們并不是先看見一顆行星然后來(lái)計(jì)算它的軌道，而是要根據(jù)天王星的反常行為來(lái)找到那顆未知的行星。

1846年9月23日，德國(guó)柏林天文臺(tái)的加勒（Johann Gottfried Galle）根據(jù)法國(guó)天文學(xué)家勒威耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）運(yùn)用天體力學(xué)計(jì)算預(yù)告的位置，在群星間找到了這顆新行星。人們用羅馬神話中海神納普丘（Neptune）的名字為其命名，漢語(yǔ)稱為“海王星”。

海王星離太陽(yáng)遠(yuǎn)達(dá)30.1天文單位。在它之外，還有更遙遠(yuǎn)的行星嗎？法國(guó)天文學(xué)家弗拉馬利翁（Nicolas Camille Flammarion）在其享譽(yù)全球的傳世名著《大眾天文學(xué)》（1879年）中寫道：

海王星雖然是我們現(xiàn)今所知最外邊的一顆行星，我們卻沒(méi)有權(quán)力斷定它以外就沒(méi)有別的行星。

你以為一切都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)？

那真是絕頂?shù)幕闹嚕?/p>

這無(wú)異是把有限的天邊

當(dāng)作了世界的盡頭。

美國(guó)的洛厄爾天文臺(tái)為搜尋“海外行星”付出了長(zhǎng)期艱辛的努力。1930年初，該臺(tái)24歲的員工湯博（Clyde William Tombaugh）終于發(fā)現(xiàn)了期盼已久的海外行星——后來(lái)命名為冥王星（Pluto）。湯博生于1906年，少時(shí)家貧，未能上大學(xué)。直到發(fā)現(xiàn)冥王星之后，他才獲得堪薩斯大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金圓了大學(xué)夢(mèng)。后來(lái)，他是新墨西哥州立大學(xué)的天文學(xué)教授，1997年以90高齡辭世。

長(zhǎng)達(dá)70 余年之久，冥王星一直被認(rèn)為是太陽(yáng)系的第九顆大行星。此間，熱中于尋找“第十顆大行星”者不乏其人。但是，另一方面，冥王星卻太“另類”了：其體積和質(zhì)量都遠(yuǎn)小于其他8顆行星，甚至比月球還小很多；其公轉(zhuǎn)軌道半長(zhǎng)徑為39.4天文單位，但軌道偏心率高達(dá)0.24，因此它處于軌道近日點(diǎn)附近時(shí)比海王星離太陽(yáng)更近……啊，難怪有不少天文學(xué)家質(zhì)疑：冥王星究竟是不是一顆夠格的大行星？

弗拉馬利翁的傳世名著《大眾天文學(xué)》

究竟什么是“行星”

在判明冥王星的身份之前，還應(yīng)該提一下“小行星”。

第一顆小行星是1801年元旦之夜，意大利天文學(xué)家皮亞齊（Giuseppe Piazzi）發(fā)現(xiàn)的 “谷神星”（Ceres）。整個(gè)19世紀(jì)發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)以百計(jì)，如今已知的小行星則需以十萬(wàn)計(jì)。它們都環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，但體積實(shí)在太小只能以“小”字相冠。谷神星的直徑約1 000千米，其他小行星比它還要小得多。多數(shù)小行星的運(yùn)行軌道介于火星軌道和木星軌道之間，尤以軌道半長(zhǎng)徑在2.1～3.5天文單位這一范圍——稱為小行星的“主帶”——之中者居多。

在太陽(yáng)系中，從海王星軌道外側(cè)直到離太陽(yáng)上百天文單位處，還散布著巨量的小天體。這個(gè)區(qū)域稱為“柯伊伯帶”，因荷蘭裔美國(guó)天文學(xué)家柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）于1951年推測(cè)其存在而得名?！翱乱敛畮祗w”很可能是太陽(yáng)系形成時(shí)期的殘留物，故可供探索太陽(yáng)系形成期的環(huán)境信息。切實(shí)發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶天體始于20世紀(jì)90年代，此時(shí)柯伊伯本人已經(jīng)去世20年。

歷史的車輪駛?cè)肓?1世紀(jì)。2005年7月29日，美國(guó)天文學(xué)家邁克爾·布朗（Michael E. Brown）的團(tuán)隊(duì)宣布了一項(xiàng)極富戲劇性的發(fā)現(xiàn)：一個(gè)當(dāng)時(shí)與太陽(yáng)相距約97天文單位的天體——暫定名為2003UB313，在沿著長(zhǎng)長(zhǎng)的橢圓軌道環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行，公轉(zhuǎn)周期560年。尤其重要的是，此星的大小幾乎與冥王星不分軒輊。因此布朗教授說(shuō)，如果冥王星能稱為行星的話，那么“我們發(fā)現(xiàn)的這一顆就應(yīng)該算是太陽(yáng)系的第十大行星。”

布朗宣布這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)時(shí)，人們所知的柯伊伯帶天體數(shù)已近千。到2005年底，已知柯伊伯帶中有12個(gè)天體的大小與冥王星在同一級(jí)別。難道它們都算是大行星嗎？究竟什么樣的天體才稱得上是一顆行星呢？

大行星和行星其實(shí)是一回事。添上一個(gè)“大”字，是為了更清晰地強(qiáng)調(diào)它們不是小行星。2006年8月，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)作出決議，給“行星”下一個(gè)確切的定義，其要點(diǎn)是：（1）行星必須環(huán)繞自己所屬的恒星運(yùn)行；（2）它必須有足夠大的質(zhì)量，從而其自身的引力足以使之保持接近于圓球的形狀；（3）已清空其軌道附近的區(qū)域，這意味著同一軌道附近只能有一顆行星。早先知道的八大行星都滿足這些條件。

另一方面，冥王星、2003UB313等雖然都滿足上述條件（1）（2），卻不滿足條件（3），即它們都未能清空其軌道附近的區(qū)域。它們身處柯伊伯帶中，那里的其他天體還多著呢！為此，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)決議新設(shè)一個(gè)類別，將滿足上述條件（1）（2）但不滿足條件（3）的天體稱為“矮行星”。據(jù)此，谷神星亦須歸入這一類。

2006年9月13日，國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)將2003UB313正式命名為Eris，這原是希臘神話中紛爭(zhēng)女神的名字——她拋下引起紛爭(zhēng)的金蘋果，導(dǎo)致了慘烈的特洛伊戰(zhàn)爭(zhēng)。在漢語(yǔ)中，此星定名為“鬩神星”?！棒]”者，爭(zhēng)吵也。

其他眾多的小行星和柯伊伯帶天體，尚有待國(guó)際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)繼續(xù)界定何者應(yīng)確認(rèn)為矮行星。目前確定的，除冥王星、鬩神星和谷神星外，僅有“妊神星”（Haumea）和“鳥神星”（Makemake）這兩顆。

系外行星

行星科學(xué)的研究課題不勝枚舉。有一個(gè)大問(wèn)題就是：除了地球，其他行星上是否存在或是否可能存在生命，甚至存在先進(jìn)的文明？

其實(shí)，這是一個(gè)古老的問(wèn)題。古希臘戲劇家阿里斯托芬（Aristophones）曾在一個(gè)劇本中開玩笑：未受教育的人或許會(huì)認(rèn)為下雨是“宙斯從一個(gè)細(xì)篩子里撒尿”。諸如此類的想法很容易引伸：除了人類，還存在著其他具有自由意志的生命。不過(guò)，在缺乏科學(xué)依據(jù)的古代，即使最偉大的學(xué)者對(duì)此也只能作一些聰明的猜測(cè)或樸素的思辨而已。

十九世紀(jì)末葉，由于據(jù)稱發(fā)現(xiàn)火星上有智慧生命開鑿的運(yùn)河，曾經(jīng)掀起一陣討論火星文明的熱潮。如今人類發(fā)往火星的眾多探測(cè)器，卻未發(fā)現(xiàn)那里有任何生命的跡象。人們將會(huì)把更多的火星車送上火星進(jìn)行更廣泛的考察，優(yōu)先考察的應(yīng)是極冠的邊緣地帶，以及暴露在峽谷深處的諸多地層，那里存在生命的可能性或許比較大。

實(shí)地尋找或就近探測(cè)地外生命，目前僅局限于太陽(yáng)系內(nèi)。除了火星，其他行星上存在生命的可能性更是微乎其微。至于太陽(yáng)系外的其他恒星周圍是否也有行星環(huán)繞，直到四分之一個(gè)世紀(jì)前還始終只是猜測(cè)。恒星彼此相距十分遙遠(yuǎn)，用天文望遠(yuǎn)鏡不可能直接看見遠(yuǎn)方恒星近旁的行星——這比從幾千米外的遠(yuǎn)處看清一只在探照燈旁飛舞的螢火蟲更困難。也曾有過(guò)一些間接的線索，例如1983年，天文學(xué)家利用紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)某些恒星周圍存在塵埃云，它們或許正處于形成行星的過(guò)程中。此外，1992年波蘭天文學(xué)家沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）和加拿大天文學(xué)家戴爾·弗萊（Dale Frail）在精確測(cè)量脈沖星PSR 1257+12的脈沖信號(hào)時(shí)，令人可信地推斷其周圍有兩顆行星。然而，可以肯定，在脈沖星周圍的嚴(yán)酷環(huán)境下，那里的行星上絕對(duì)不可能存在生命。

探索環(huán)繞一顆普通恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的行星，在1995年10月有了突破性的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的天文學(xué)家梅厄（Michel Mayor）和他的學(xué)生奎洛茲（Didier Queloz）宣布，他們發(fā)現(xiàn)一顆類太陽(yáng)恒星飛馬座51近旁有一顆行星（后稱為飛馬座51b）繞之轉(zhuǎn)動(dòng)，兩者相距僅約800萬(wàn)千米——約為日地距離的1/20，因此飛馬座51b只需4天就沿著軌道公轉(zhuǎn)一周。太陽(yáng)系外的行星，統(tǒng)稱為“系外行星”。飛馬座51b開創(chuàng)了系外行星天文學(xué)的新領(lǐng)域，迄今發(fā)現(xiàn)的系外行星已經(jīng)超過(guò)4 000顆。

梅厄（右）、奎洛茲（左）與宇宙學(xué)家皮布爾斯共獲2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

梅厄和奎洛茲發(fā)現(xiàn)飛馬座51b所采用的方法，稱為“視向速度法”。飛馬座51b的引力作用，致使其母恒星飛馬座51周期性地時(shí)而遠(yuǎn)離、時(shí)而朝向觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)。由于多普勒效應(yīng)，飛馬座51的光譜線便隨之發(fā)生周期性的紅移和紫移。觀測(cè)這種光譜線的移動(dòng)，可以反推對(duì)母恒星施加引力影響的系外行星的狀況。由于“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽(yáng)恒星運(yùn)行的系外行星”，梅厄和奎洛茲共享了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其實(shí)還應(yīng)該看到，他們不只是發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星，而且是率先實(shí)現(xiàn)了一種發(fā)現(xiàn)系外行星的方法。

還有一種尋找系外行星的重要方法稱為“凌星法”，是測(cè)量行星越過(guò)恒星圓面——即“行星凌星”——造成的星光下降，其情狀一如人們熟悉的水星凌日或金星凌日。

2009年3月，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射了“開普勒空間望遠(yuǎn)鏡”。它在4年多的工作期間，找到了數(shù)以千計(jì)的系外行星，其中有的星體及其周圍環(huán)境都同地球頗為相似。2013年5月，此鏡因故障被迫停止搜尋系外行星的任務(wù)。2013年8月18日，NASA表示修復(fù)無(wú)望，正式宣布結(jié)束其主要使命。2018年4月，NASA又發(fā)射了“凌星系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡”（簡(jiǎn)稱TESS），可以期望它將使系外行星探索達(dá)到更新的高度。

系外行星天文學(xué)在短短二十多年間取得了驕人的成績(jī)，同時(shí)也面臨著種種新的挑戰(zhàn)。例如，飛馬座51b是一個(gè)體積與木星同量級(jí)的氣態(tài)行星，卻離母恒星如此之近，以至于其表面溫度顯著超過(guò)1 000K。天文學(xué)家一向認(rèn)為類木行星只能在遠(yuǎn)離母恒星的區(qū)域形成，那么這種“熱木星”又是如何形成的呢……關(guān)于系外行星的種種發(fā)現(xiàn)，正在不斷促使天文學(xué)家發(fā)展新的理論，去解釋行星孕育與誕生的物理過(guò)程。

不言而喻，目前對(duì)系外行星的探索，離回答那里有沒(méi)有生命、尤其是回答何處可能存在著地外文明還相當(dāng)遙遠(yuǎn)。但是，朝著這個(gè)方向前進(jìn)，終有一天，人類會(huì)對(duì)“茫茫太空中，我們孤獨(dú)嗎？”給出一個(gè)非常出色的答案！