从“游星”到系外行星——极简行星发现史

卞毓麟

“游星”和行星

上古的初民早已发现，天空中的绝大多数星星仿佛构成一幅固定不变的图画，随天穹周而复始地转动着。这些固定的星星叫作“恒星”。

然而，有5颗亮星却总是在众星构成的图形间游移不定，沿着复杂的路径在群星之间自西向东徐徐穿行。古希腊人称它们为planetes，意为“游荡者”或“游星”。后来这个词进入英语，成了planet，即如今所说的“行星”。

古人所知的5颗行星，就是水星（Mercury）、金星（Venus）、火星（Mars）、木星（Jupiter）和土星（Saturn）。此处括号中所列，是它们的国际通用名，均源自古代希腊-罗马神话。

古代天文学家几乎都误以为地球位于宇宙的中心，日月、行星和恒星全都绕着地球转。错误的宇宙观念使他们的探究走了许多弯路。直到16世纪，波兰天文学家尼古拉·哥白尼（Nicolas Copernicus）终于提出“日心地动说”，阐明行星都绕着太阳转动，地球也是一颗绕着太阳运转的行星；月亮是地球的卫星，直接绕着地球转。行星离太阳由近到远的次序为：水星、金星、地球、火星、木星和土星。太阳同它的全部“随从”一起构成了太阳系。

17世纪初，德国天文学家开普勒（Johannes Kepler ）发现了著名的行星运动三定律：

第一定律：行星运行的轨道是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上。

第二定律：行星的向径在相等的时间内扫过相等的面积。

第三定律：行星公转周期的平方与其轨道半长径的立方成正比。

他在《宇宙谐和论》（1619年）一书中极其兴奋地写道：

领悟到这一真理，超出了我最美好的期望。大事告成，书已写就，可能当代就有人读它，也可能后世方有人读，甚至可能要等一个世纪才有人读……这些，我就管不着了。

开普勒阐明了行星运动三定律

行星运动必定遵守开普勒阐明的这些定律，然而开普勒并不明白行星为什么会这样运动。半个多世纪后，牛顿（Isaac Newton）又在探究这些定律的基础上发现了万有引力定律。原来，行星之所以像开普勒描述的那样运动，乃是由于它们与太阳之间的万有引力在起作用。

发现新行星

直到18世纪中叶，人们普遍认为土星轨道就代表了太阳系的边界。然而，1781年3月，德裔英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）却破天荒地发现了一颗比土星更遥远的新行星！赫歇尔想将新行星命名为“乔治星”，以示对英王乔治三世的尊敬。但是以神话人物命名行星的古老传统还是占了上风，人们将天神优拉纳斯（Uranus）的名字赋予新行星，在汉语中称为“天王星”。在天文学中，将地球与太阳的平均距离称为一个“天文单位”。土星与太阳相距9.54天文单位，天王星则与太阳相距19.6天文单位。

赫歇尔活了84年，恰好等于天王星环绕太阳运行的公转周期。新行星的发现在社会公众中激起了巨大的热情，以至于英国浪漫主义大诗人济慈（John Keats）读到查普曼翻译的荷马史诗时因惊喜至极而留下了这样的传世名句（十四行诗《初读查普曼译荷马》，1816年）：

于是我感到宛如一个瞭望天空的人，

正看见一颗新的行星映入他的眼帘。

万有引力定律使天文学与力学攀上了亲，天体力学由是应运而生。天体力学可以让人们根据天文观测回溯行星以往的运动，还可以预告行星来日的行踪。1821年，法国天文学家布瓦尔（Alexis Bouvard）据此计算木星和土星的运动，与实际观测完全吻合。但对于天王星，结果却总是令人不满。仅仅过了9年，布瓦尔的计算结果已与实际观测差了20″；到1845年，这种差值已经超过2′。

天王星运动的“出轨”着实令天文学家烦恼。是天体力学方法失灵了？还是在远方另有一颗未露面的行星正用自己的引力拖着天王星的后腿？持后一观点的人较多。但问题的难处在于：人们并不是先看见一颗行星然后来计算它的轨道，而是要根据天王星的反常行为来找到那颗未知的行星。

1846年9月23日，德国柏林天文台的加勒（Johann Gottfried Galle）根据法国天文学家勒威耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）运用天体力学计算预告的位置，在群星间找到了这颗新行星。人们用罗马神话中海神纳普丘（Neptune）的名字为其命名，汉语称为“海王星”。

海王星离太阳远达30.1天文单位。在它之外，还有更遥远的行星吗？法国天文学家弗拉马利翁（Nicolas Camille Flammarion）在其享誉全球的传世名著《大众天文学》（1879年）中写道：

海王星虽然是我们现今所知最外边的一颗行星，我们却没有权力断定它以外就没有别的行星。

你以为一切都已经发现？

那真是绝顶的荒谬；

这无异是把有限的天边

当作了世界的尽头。

美国的洛厄尔天文台为搜寻“海外行星”付出了长期艰辛的努力。1930年初，该台24岁的员工汤博（Clyde William Tombaugh）终于发现了期盼已久的海外行星——后来命名为冥王星（Pluto）。汤博生于1906年，少时家贫，未能上大学。直到发现冥王星之后，他才获得堪萨斯大学的奖学金圆了大学梦。后来，他是新墨西哥州立大学的天文学教授，1997年以90高龄辞世。

长达70 余年之久，冥王星一直被认为是太阳系的第九颗大行星。此间，热中于寻找“第十颗大行星”者不乏其人。但是，另一方面，冥王星却太“另类”了：其体积和质量都远小于其他8颗行星，甚至比月球还小很多；其公转轨道半长径为39.4天文单位，但轨道偏心率高达0.24，因此它处于轨道近日点附近时比海王星离太阳更近……啊，难怪有不少天文学家质疑：冥王星究竟是不是一颗够格的大行星？

弗拉马利翁的传世名著《大众天文学》

究竟什么是“行星”

在判明冥王星的身份之前，还应该提一下“小行星”。

第一颗小行星是1801年元旦之夜，意大利天文学家皮亚齐（Giuseppe Piazzi）发现的 “谷神星”（Ceres）。整个19世纪发现的小行星数以百计，如今已知的小行星则需以十万计。它们都环绕太阳运行，但体积实在太小只能以“小”字相冠。谷神星的直径约1 000千米，其他小行星比它还要小得多。多数小行星的运行轨道介于火星轨道和木星轨道之间，尤以轨道半长径在2.1～3.5天文单位这一范围——称为小行星的“主带”——之中者居多。

在太阳系中，从海王星轨道外侧直到离太阳上百天文单位处，还散布着巨量的小天体。这个区域称为“柯伊伯带”，因荷兰裔美国天文学家柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）于1951年推测其存在而得名。“柯伊伯带天体”很可能是太阳系形成时期的残留物，故可供探索太阳系形成期的环境信息。切实发现柯伊伯带天体始于20世纪90年代，此时柯伊伯本人已经去世20年。

历史的车轮驶入了21世纪。2005年7月29日，美国天文学家迈克尔·布朗（Michael E. Brown）的团队宣布了一项极富戏剧性的发现：一个当时与太阳相距约97天文单位的天体——暂定名为2003UB313，在沿着长长的椭圆轨道环绕太阳运行，公转周期560年。尤其重要的是，此星的大小几乎与冥王星不分轩轾。因此布朗教授说，如果冥王星能称为行星的话，那么“我们发现的这一颗就应该算是太阳系的第十大行星。”

布朗宣布这项发现时，人们所知的柯伊伯带天体数已近千。到2005年底，已知柯伊伯带中有12个天体的大小与冥王星在同一级别。难道它们都算是大行星吗？究竟什么样的天体才称得上是一颗行星呢？

大行星和行星其实是一回事。添上一个“大”字，是为了更清晰地强调它们不是小行星。2006年8月，国际天文学联合会作出决议，给“行星”下一个确切的定义，其要点是：（1）行星必须环绕自己所属的恒星运行；（2）它必须有足够大的质量，从而其自身的引力足以使之保持接近于圆球的形状；（3）已清空其轨道附近的区域，这意味着同一轨道附近只能有一颗行星。早先知道的八大行星都满足这些条件。

另一方面，冥王星、2003UB313等虽然都满足上述条件（1）（2），却不满足条件（3），即它们都未能清空其轨道附近的区域。它们身处柯伊伯带中，那里的其他天体还多着呢！为此，国际天文学联合会决议新设一个类别，将满足上述条件（1）（2）但不满足条件（3）的天体称为“矮行星”。据此，谷神星亦须归入这一类。

2006年9月13日，国际天文学联合会将2003UB313正式命名为Eris，这原是希腊神话中纷争女神的名字——她抛下引起纷争的金苹果，导致了惨烈的特洛伊战争。在汉语中，此星定名为“阋神星”。“阋”者，争吵也。

其他众多的小行星和柯伊伯带天体，尚有待国际天文学联合会继续界定何者应确认为矮行星。目前确定的，除冥王星、阋神星和谷神星外，仅有“妊神星”（Haumea）和“鸟神星”（Makemake）这两颗。

系外行星

行星科学的研究课题不胜枚举。有一个大问题就是：除了地球，其他行星上是否存在或是否可能存在生命，甚至存在先进的文明？

其实，这是一个古老的问题。古希腊戏剧家阿里斯托芬（Aristophones）曾在一个剧本中开玩笑：未受教育的人或许会认为下雨是“宙斯从一个细筛子里撒尿”。诸如此类的想法很容易引伸：除了人类，还存在着其他具有自由意志的生命。不过，在缺乏科学依据的古代，即使最伟大的学者对此也只能作一些聪明的猜测或朴素的思辨而已。

十九世纪末叶，由于据称发现火星上有智慧生命开凿的运河，曾经掀起一阵讨论火星文明的热潮。如今人类发往火星的众多探测器，却未发现那里有任何生命的迹象。人们将会把更多的火星车送上火星进行更广泛的考察，优先考察的应是极冠的边缘地带，以及暴露在峡谷深处的诸多地层，那里存在生命的可能性或许比较大。

实地寻找或就近探测地外生命，目前仅局限于太阳系内。除了火星，其他行星上存在生命的可能性更是微乎其微。至于太阳系外的其他恒星周围是否也有行星环绕，直到四分之一个世纪前还始终只是猜测。恒星彼此相距十分遥远，用天文望远镜不可能直接看见远方恒星近旁的行星——这比从几千米外的远处看清一只在探照灯旁飞舞的萤火虫更困难。也曾有过一些间接的线索，例如1983年，天文学家利用红外天文卫星发现某些恒星周围存在尘埃云，它们或许正处于形成行星的过程中。此外，1992年波兰天文学家沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）和加拿大天文学家戴尔·弗莱（Dale Frail）在精确测量脉冲星PSR 1257+12的脉冲信号时，令人可信地推断其周围有两颗行星。然而，可以肯定，在脉冲星周围的严酷环境下，那里的行星上绝对不可能存在生命。

探索环绕一颗普通恒星转动的行星，在1995年10月有了突破性的发现。当时瑞士日内瓦大学的天文学家梅厄（Michel Mayor）和他的学生奎洛兹（Didier Queloz）宣布，他们发现一颗类太阳恒星飞马座51近旁有一颗行星（后称为飞马座51b）绕之转动，两者相距仅约800万千米——约为日地距离的1/20，因此飞马座51b只需4天就沿着轨道公转一周。太阳系外的行星，统称为“系外行星”。飞马座51b开创了系外行星天文学的新领域，迄今发现的系外行星已经超过4 000颗。

梅厄（右）、奎洛兹（左）与宇宙学家皮布尔斯共获2019年诺贝尔物理学奖

梅厄和奎洛兹发现飞马座51b所采用的方法，称为“视向速度法”。飞马座51b的引力作用，致使其母恒星飞马座51周期性地时而远离、时而朝向观测者运动。由于多普勒效应，飞马座51的光谱线便随之发生周期性的红移和紫移。观测这种光谱线的移动，可以反推对母恒星施加引力影响的系外行星的状况。由于“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”，梅厄和奎洛兹共享了2019年诺贝尔物理学奖。其实还应该看到，他们不只是发现了一颗系外行星，而且是率先实现了一种发现系外行星的方法。

还有一种寻找系外行星的重要方法称为“凌星法”，是测量行星越过恒星圆面——即“行星凌星”——造成的星光下降，其情状一如人们熟悉的水星凌日或金星凌日。

2009年3月，美国宇航局（NASA）发射了“开普勒空间望远镜”。它在4年多的工作期间，找到了数以千计的系外行星，其中有的星体及其周围环境都同地球颇为相似。2013年5月，此镜因故障被迫停止搜寻系外行星的任务。2013年8月18日，NASA表示修复无望，正式宣布结束其主要使命。2018年4月，NASA又发射了“凌星系外行星巡天望远镜”（简称TESS），可以期望它将使系外行星探索达到更新的高度。

系外行星天文学在短短二十多年间取得了骄人的成绩，同时也面临着种种新的挑战。例如，飞马座51b是一个体积与木星同量级的气态行星，却离母恒星如此之近，以至于其表面温度显著超过1 000K。天文学家一向认为类木行星只能在远离母恒星的区域形成，那么这种“热木星”又是如何形成的呢……关于系外行星的种种发现，正在不断促使天文学家发展新的理论，去解释行星孕育与诞生的物理过程。

不言而喻，目前对系外行星的探索，离回答那里有没有生命、尤其是回答何处可能存在着地外文明还相当遥远。但是，朝着这个方向前进，终有一天，人类会对“茫茫太空中，我们孤独吗？”给出一个非常出色的答案！