卞毓麟
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。
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)》
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。
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!