图解系外行星发现史（1）

文 / 叶楠

早期研究与发现

自古以来，地球是人类赖以生存和繁衍生息的唯一家园。随着文明的发展，我们逐渐发现在地球以外还有其他的行星，这些行星都围绕一颗名为太阳的恒星不停旋转。一个世纪以前，我们认识到太阳只是银河系内的一颗普通恒星。整个银河系包括多至4000亿颗恒星，在银河系之外还有无数的河外星系。在其他恒星附近是否也有行星围绕它旋转？是否也有类似地球的行星？在那些行星上是否也有生命存在？这些想法一旦产生，便吸引着一代又一代人为之着迷，为之探索。16世纪，意大利哲学家布鲁诺不仅是哥白尼日心说的支持者，他还提出其他恒星与太阳是类似的，在它们周围也有行星相伴的观点。18世纪，牛顿在他的《自然哲学之数学原理》的结语中也提到过类似的观点。

系外行星是指围绕除太阳外其他恒星公转的行星系统。我们的太阳在银河系中是一颗普通的中等质量恒星，在它的周围有8颗大行星、5颗矮行星以及上百万颗小行星。如果行星是普遍存在的，那么银河系中数千亿颗恒星系统中将会存在数量更多的行星。即使一个恒星系统中只拥有一颗行星，那整个银河系也将拥有4000亿颗行星，何况银河系也只是宇宙中无数星系中的一个。如果我们能够探测数量足够多的系外行星，相信总有一天能够找到适宜人类生存的另一个地球。迄今为止，人类对于系外行星的探寻究竟走到了哪一步呢？

探测系外行星的困难

1846年，天文学家加勒根据勒维耶的计算结果发现了太阳系内第8颗大行星海王星。海王星最亮时约7.8等，暗于人眼的目视星等极限6等，只能借助望远镜才能看到。这也是后续阋神星、鸟神星、妊神星等矮行星直到21世纪后才被发现的根本原因。行星本身是不发光的，只能反射太阳光才有可能被我们看到。太阳系内的行星都如此暗弱，而其他恒星距离我们最近也在几光年之外，想要在一颗明亮的恒星周围去发现一颗要小得多同时也暗得多的行星，这在很长时间以来简直就是天方夜谭。上图中间位置的圆形黑洞是被日冕仪遮光板挡住的恒星，其右侧是系外行星PDS 70b。恒星的光远比行星强得多，只有依靠这种遮挡恒星的方法才有可能直接成像观测到一些系外行星。

天狼星B的发现

1844年，德国天文学家贝塞尔发现天狼星的移动路径有所变化，呈波浪形的曲线，由此推导出其应该还有一颗未被发现的伴星。1862年，美国天文学家克拉克用他自制的折射天文望远镜最先看到了这颗伴星。直到1915年，美国天文学家亚当斯利用威尔逊山天文台的一台口径1.5米的望远镜才最终确认了天狼星B这颗白矮星的发现。图为哈勃空间望远镜拍摄的天狼星（中间的亮星）及天狼星B（左下角星芒旁的小亮点）。之所以在这里介绍天狼星B是因为这与早期系外行星的探测方法有诸多相同之处。

尚未证实的系外行星

在海王星刚刚发现后不久，就有天文学家将目光移向了其他恒星周围。在印度马德拉斯天文台工作的天文学家威廉·雅各布对蛇夫座70进行了长时间的观测。蛇夫座70是由两颗橙色恒星组成的双星系统。他利用了和贝塞尔发现天狼星B同样的办法，在1955年发现蛇夫座70这两颗恒星的运行轨迹出现了异常，怀疑在它们附近还有另一颗看不见的天体。1943年，罗伊尔和霍尔伯格声称计算出这个天体的质量只有太阳质量的千分之一，这个质量意味着它并不是一颗恒星，而是一颗行星。但后续并没有观测证实他们的计算。2006年，麦克唐纳天文台的一个研究团队对蛇夫座70进行了更为细致的研究，并计算出如果存在系外行星的话，它的质量范围应该在0.46～12.8倍木星质量之间。图为艺术家笔下对这个最早被怀疑为系外行星的天体描绘的图像。

巴纳德星的行星

巴纳德星是一颗质量非常小的红矮星，是仅次于南门二距离我们第二近的恒星系统，只有不到6光年远。美国天文学家爱德华·巴纳德于1916年测量出它的自行速度为每年10.3角秒，或者说每100年它可以在天球上走半个月亮的距离，是地球上能看到的自行速度最快的恒星。美籍荷裔天文学家彼得·范·坎普从1938年就开始对巴纳德星进行观测，他一直声称发现了巴纳德星的轨道“摆动”，并推算出巴纳德星拥有两颗行星。直到2018年，巴纳德星附近真的发现了一颗系外行星，但这颗行星的质量远低于坎普的计算，与之没有任何关系。图为巴纳德星与太阳的大小对比示意图。

少卫增八的系外行星

当一颗行星围绕一颗恒星公转，恒星同时也会围绕两者的质心公转。只要公转轨道平面不是恰好垂直于我们的视线方向，都可以通过光谱测量方法测量恒星谱线的多普勒效应来确定它的运动情况。这种探测系外行星的方法称为径向速度法，是2008年之前发现系外行星的主要方式。

1988年，加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔、G·沃克和斯蒂芬森·杨宣布他们利用径向速度法发现有一颗行星围绕少卫增八公转。不过受限于当时的观测设备，他们对这个结果也保持谨慎态度。其他天文学家倾向于认为这颗未知天体更可能是一颗褐矮星，褐矮星是质量介于恒星和行星之间的一类天体。直到2003年，随着观测设备的改进，证明了最初的结论是正确的，这确实是一颗系外行星，后被命名为少卫增八b或仙王座γb。图为它的艺术想象图，这是一颗大号的木星，质量是木星的1.6倍。系外行星的命名是以恒星名为前缀，后面加入小写字母，从字母b开始往后排。遗憾的是由于确认时间较晚，少卫增八b并没有成为人类发现的第一颗系外行星。

人类发现的第一个系外行星系统

PSR B1257+12是一颗毫秒脉冲星，于1990年由阿雷西博射电望远镜发现。中子星是宇宙中一类非常致密的天体，一颗典型的中子星质量大约是太阳的2倍，而直径却只有10千米。毫秒脉冲星是高速自转的中子星，PSR B1257+12的自转周期为6.22毫秒。1992年，天文学家沃尔兹和弗雷尔发现有两颗行星围绕这颗脉冲星转动，它们的质量分别是地球的4.3倍和3.9倍，公转周期分别是67天和98天。之后不久又发现了这个系统内的第三颗行星，这颗行星质量只有月球的2倍，公转周期25天。图为模拟在距离脉冲星最远那颗行星上看到的场景。

脉冲星、白矮星与系外行星

位于天蝎座方向的M4是一个年龄高达127亿年的球状星团，在其核心附近有一个非常奇特的双星系统，由一颗脉冲星PSR B1620-26和一颗白矮星WD B1620-26组成。上世纪90年代初，由天文学家唐纳德·贝克领导的团队在研究这个双星系统时发现它的谱线多普勒位移出现异常，这只有在第三个天体存在时才能予以解释。1993年，天文学家终于确认了这颗系外行星的存在，这是一颗质量为2.5倍木星质量的超大行星。这颗巨大的气态行星环绕着由脉冲星和白矮星组成的双星系统运行，周期约为100年。图为这个行星系统的艺术想象图。

飞马座51b

飞马座51是位于飞马座方向的一颗与太阳类似的黄色恒星，距离我们约50光年，年龄约70亿年，它的质量、半径和光度分别是太阳的1.1倍、1.2倍和1.3倍。1995年10月6日，瑞士天文学家迈耶和奎罗兹宣布利用法国上普罗旺斯天文台的摄谱仪，根据飞马座51的谱线摄动发现了环绕其运行的系外行星飞马座51b。10月12日，美国天文学家马西和巴特勒确认了这个发现。飞马座51b的质量下限是0.47倍木星质量，轨道半径为0.05倍日地距离，公转周期4.2天。这是人类首次在一颗正常恒星周围发现系外行星，这一发现也获得了2019年诺贝尔物理学奖。图为飞马座51b与其母恒星的艺术想象图。

预言巴纳德星拥有系外行星的坎普毕生都坚信在其他恒星系统中必然有系外行星的存在。坎普于1995年去世，同年飞马座51b被发现。虽然坎普并没有直接发现任何系外行星，但他坚持的理念却在他离世后不断被一个又一个发现所证实。除了直接成像法和径向速度法之外，新的观测手段层出不穷，尤其是进入21世纪以后，人类发现系外行星的步伐越走越快。