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杨宁
如今,天文学家们在开普勒太空望远镜的帮助下发现了数千颗行星.据估计,在我们的银河中可能有上千亿颗与地球大小相当、存在液态水的行星,这些世界可能有生命的存在.2016 年8月,天文学家报告称,在距离我们最近的恒星半人马座比邻星周围发现了一颗类地行星.但20 多年前,两位瑞士天文学家奎洛兹和他的导师米歇尔? 梅杰在1995年10 月宣称,发现首颗系外行星“飞马座51b”时,没人会想到20 多年后的今天天文学会取得如此大的发展.这一发现成为人类历史上最重要的事件之一,该发现证明了太阳系并不孤单,激起了人类对系外生命的思考,以及人类在宇宙中的地位有了重新认识.
1995 年1 月的寒冷夜晚,法国上普罗旺斯天文台所在地区下起了大雨.而一名叫迪迪埃? 奎洛兹的天文学研究生正因天气不够配合,不得不呆在实验室中用计算机分析数据.而数据显示一颗名为“飞马座51”的明亮恒星正在进行轻微的摆动,而这种摆动正是奎洛兹一直希望看到的现象,因为这意味着该恒星周围可能存在行星.随着越来越多数据和证据的出现,他最终意识到这种摆动确实是由环绕恒星运行的行星引力所引起的.奎洛兹表示,“当时,我是世界唯一知道我找到了一颗行星.”美国加州大学圣克鲁兹分校的天文学家史蒂夫? 沃格特表示,“这一发现创造了历史,也惊动整个天文学领域.”
其实,奎洛兹和梅杰并不算是真正最早发现系外行星的人.美国天文学家亚历克斯? 沃尔兹森和戴尔? 弗雷早在1992 年就曾经发现过两颗行星,不过这两颗行星不是环绕像太阳这样的恒星运行,而是环绕一颗死亡的恒星运行,这样的恒星也被称为脉冲星,即快速旋转同时又向宇宙中散发强大辐射的恒星尸体.因这种怪异的行星系统并不适宜生命的存在,天文学家也就将这些环绕脉冲星运行的行星看作是宇宙异类,有意义但并不具开创性.沃格特介绍说,“感觉它们根本不像行星,因为那里的环境有如地狱一般.”
尽管在类似太阳的正常恒星周围寻找行星似乎很困难.但自1986 年起,美国旧金山州立大学的天文学家杰弗里? W ? 马西和当时任职于美国加利福尼亚大学伯克利分校的R ? 保罗? 巴特勒还是开始了搜索系外行星工作.他们也确实发现了奎洛兹所发现的恒星摆动现象.比如,太阳系最大的行星木星会导致太阳以每小时35 千米的速度位移.巴特勒介绍说,在20 世纪80 年代之前,所有人测量的速度都没有低于每小时1000 千米.为了探测这种恒星摆动,天文学家们必须要测量恒星的光谱,以及星光是如何散射成组成波长.当恒星靠近或远离我们时,其光线的波长会相应地变短或变长,而这种细微的变化就被称为“多普勒频移”.为了能够找到行星,巴特勒等人对所有不确定性进行了估测.
其实突破出现于1980 年代初.加拿大天文学家布鲁斯? 坎贝尔和戈登? 沃克尔采用一种能测量到恒星摆动的速度低达每小时54 千米的先进技术,这种灵敏度本可以帮助他们远早于奎洛兹发现首颗系外行星,但布鲁斯?坎贝尔和戈登? 沃克尔为了达到一定的精度和灵敏度,在望远镜中放了一个盛满氟化氢气体的容器.这种气体可以吸收特定波长的星光,从而形成新的光谱,但是任何温度的波动或其他失误都有可能影响气体及恒星的光谱,此外氟化氢还是一种有毒气体,巴特勒说,“如果皮肤上沾上氟化氢,它可能会烧坏你的神经细胞而且让你没有疼痛感,它甚至会腐蚀进你的骨头里.如果你不幸吸入氟化氢蒸汽,你可能当天就会死去.”巴特勒的解决方案是用碘气来替代.到1995 年5 月,他们所测得的速度已达到一个新记录,即每小时10 千米.然而,五个月后他们听到了来自欧洲的最新进展——有人发现了“飞马座51b”.
当时,梅杰用了数月时间才确信“飞马座51b”的存在,并要求奎洛兹做更多的分析.如今在剑桥大学工作的奎洛兹表示,当时还是学生的他,其论文内容就是研究如何制造后来探测到“飞马座51b”的工具.奎洛兹和梅杰利用光纤来保证光线的纯度和稳定性,将天文望远镜中无法预测的环境中的星光引导进入一个温控设备测量其光谱.这种技术如今仍然是通过探测恒星摆动来搜寻行星的重要手段.奎洛兹和梅杰在对观测数据进行反复分析.同时,其保密工作也做得非常好.直到1995 年10 月6 日,他们才在意大利佛罗伦萨的一次天文学会议上充满自信地宣布自己的发现.巴特勒表示,这样的发现让我们震惊,大多数天文学家当时都持怀疑态度,因为有许多人在此之前都声称发现了系外行星,但最终都被证明是错误的.此外“飞马座51b”的各种特点也都与科学家对行星的认识相悖.在太阳系中,像木星这样的巨型气体行星都离太阳较远,是因为这些含有气体、冰以及易挥发化合物的行星,在距离太阳较近的环境中往往无法存在,因此,科学家认为只有像地球这样的小型岩质行星才有可能形成于太阳系内层,而巨型气体行星往往形成于太阳系外层.但这颗“飞马座51b”大气行星却非常怪异,它的轨道周期只有四天时间,而且与主恒星的距离仅为水星与太阳距离的六分之一.这样的近距离导致其表面温度高达1000 摄氏度,而且高气温让其大气层膨胀到比木星还要大50%,虽然它的质量仅为木星的47%,因此它也被称为“热木星”,而这些特点使科学家们对其持怀疑态度.巴特勒表示,“当时人们的普遍观点是,所有行星系统都应该与我们的地球相类似.”但巧合的是,保罗? 巴特勒和杰夫? 马西在一周后,也完成了对“飞马座51”为期四天的夜间观测任务.巴特勒表示,“我们看到结果后震惊了.奎洛兹和梅杰是正确的.我们精确地匹配了他们的预言.”此外,关注这一发现的沃格特还惊讶的发现,那些数据正是他想要的.
其实“飞马座51b”并不难发现.由于轨道周期很短,因此只需要数天时间积累数据就足以发现恒星的摆动.但巴特勒和马西却一直在改进技术,并坚持观测积累数据长达8 年时间,但他们没有利用计算机来分析数据.不过,随着“飞马座51b”的发现,有人认为保罗? 巴特勒和杰夫? 马西可能随时发现新的行星时,开始为他们提供计算机工具.1995 年新年前夜,巴特勒在对一颗名为“处女座70”的恒星进行分析时,发现了一颗比木星大七倍的行星,轨道周期为116 天,其主恒星摆动速度为每小时1000千米以上.……在巴特勒等人发现一个又一个行星时,由梅杰带领的研究团队也一直在努力.他们之间的竞赛促成了数百颗行星的发现.早期发现的行星大多数是像“飞马座51b”这样的“热木星”,这是因为这些体型巨大行星靠近主恒星,所以它们可以产生最有力的摆动,从而也最容易被发现.
但这些行星是如何形成的？
人们至今仍未搞清楚.一种最普遍的说法是类似木星那样的位移.这些行星往往距离主恒星较远,但由于与其他行星之间的万有引力,它们会慢慢向内移动.2016 年8 月,美国加州理工学院天体物理学家康斯坦丁? 巴蒂金等人提出,恒星附近的环境并不影响类似木星的行星形成.这一观点让了人们对“热木星”有了新的思考.
事实上,开普勒太空望远镜发现,大多数行星系统根本不像太阳系内的行星系统.这台已经发现了数千颗行星的太空望远镜,是通过观测行星掠过恒星前方时产生的光线微弱变化来发现行星的存在.今后,天文学家们会借助开普勒太空望远镜和即将发射升空的“系外行星凌星观测卫星”,将能够发现更多的系外世界,从而帮助人们对行星的形成以及太阳系的独特性有更深入的认识.下一代的天文望远镜将探测行星大气层中的生命迹象.在未来的数十年中,人类或有望首次发现外星人存在的证据.
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参考文献：
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2、 系外行星大气中首次探测到铁 瑞士伯尔尼大学的延斯·霍伊梅克斯和凯文·亨教授带领的研究团组在自然杂志上发表论文, 报告在KELT9b 的大气中发现了中性铁原子,以及一次电离的铁和钛离子 这是首次在系外行.
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