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银河系外的行星,可能首次被人类找到了

添加时间:2020-09-27 作者:吴非 来源:环球科学 点击:362 收藏 打印 字体:
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在2800万光年之外,我们首次找到了银河系外行星?一项最新研究有可能让我们找到搜寻行星的新思路。


1846年,法国天文学家奥本·勒维耶(Urbain Le Verrier)通过数学计算确定了一颗行星的准确位置。很快,海王星——已知的最后一颗太阳系内行星——在勒维耶的指导下被观测到了。


而人类再次找到一颗新行星,则要等到1992年。这一次,人类的视野冲出了太阳系。在2800光年外的处女座中,射电天文学家亚历山大·沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)和戴尔·弗莱尔(Dale Frail)发现脉冲星PSR 1257+12周围有两颗行星在绕行,这也是第一次在太阳系之外找到行星。


从海王星到第一颗太阳系外行星(简称系外行星),人们苦苦追寻了近一个半世纪;而从后者到找到第一颗银河系外行星,我们可能只用了不到30年。近日公开于预印本平台arXiv的一篇论文宣布:利用钱德拉X射线天文望远镜的数据,研究人员在2800万光年外的涡状星系,发现了一颗略小于土星的行星。


银河系内的搜寻


在1992年首次确认系外行星的存在之后,天文学家搜索系外行星的步伐从未放缓。截至目前,在3213个恒星系统中,人们已经确认发现了4348颗系外行星,此外还有超过5000颗待确认。这其中,凌星法和径向速度法是搜索系外行星的主要手段。


凌星法是基于这样的情景:当一颗行星掠过恒星表面,由于行星遮挡住恒星发出的一部分光线,这时地球观测者眼中的恒星自然会变得黯淡了。当然,原理看似简单,但实际观测并不容易。由于恒星的体积往往远远超过了其行星,因此恒星亮度的下降微乎其微。例如,当一颗类似地球的行星经过类太阳恒星时,恒星的亮度只会下降约万分之一。因此,只有足够精密的探测器,才能捕捉到这样微弱的变化。


能够实现这类观测的,正是2009年发射升空的开普勒太空望远镜。在近10年的观测寿命中,开普勒望远镜发现了2662颗系外行星。而在其退役之后,凌星系外行星勘测卫星(TESS)成为继承者,在更广阔的视野、更遥远的距离继续寻找系外行星。


另一种重要的观测手段是径向速度法。如果一颗恒星周围有行星运行,行星的引力会引起恒星远离或靠近我们的速度发生变化。根据多普勒效应,我们可以在恒星光谱上发现这样的变化。尽管信号同样微弱,但天文学家早已通过该手段有所收获。1995 年,米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)就利用这一策略探测到了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星,二人也因此获得去年的诺贝尔物理学奖。


不过,目前找到的这近万颗行星(及候选天体)无一例外,都位于银河系中。当这些在银河系中为我们取得丰硕成果的手段应用于银河系外时,却都变得无能为力。这一困境不难理解:无论是凌星法,还是径向速度法,这些变化的幅度本就微弱,放在更遥远的其他星系中,就更加难以观测。


X射线凌星法


在这项由哈佛史密森尼天体物理中心的天文学家R·迪斯蒂法诺(R。 Di Stefano)领导的研究中,他们考虑的是另一类信号。


这项观测的原理其实与开普勒望远镜相似,都是凌星法——不过,信号源从可见光换成了明亮的X射线源。在银河系之外,明亮的X射线源主要源自X射线双星系统。这类系统由一颗普通恒星和一个大质量恒星的遗骸(例如黑洞或中子星)构成。后者巨大的引力能够吸积伴星的物质,在这个过程中,吸积盘将释放X射线。


这类X射线信号之所以能够用于寻找银河系外行星,一个原因在于,它们蕴涵的能量巨大(例如此次信号的亮度就是太阳各波段总和的约100万倍);更重要的是,在X射线凌星现象中,恒星亮度变化十分明显。在正常的凌星现象中,由于整个恒星都在释放辐射,因此途经的行星只能遮挡住一小部分光线。相比之下,X射线的发射区域集中在狭小的吸积盘,当行星经过时,甚至可以将X射线完全遮住,这时X射线源如同经历了一次“日全食”。


借助这一策略,研究团队使用当代最先进的X射线望远镜——钱德拉X射线天文望远镜的数据,在距离我们超过2800万光年的涡状星系(Whirlpool Galaxy)中,找到了一个期待已久的信号。这组信号属于名为一个M51-ULS-1的双星系统:在持续3个小时的时间内,X射线的亮度如下图所示,呈现出U型曲线,这正是凌星现象的特征。此外,在中间的20~30分钟内,X射线信号完全消失了。



X射线亮度的U型曲线(图片来源:研究论文)


当然研究人员也意识到,除了途经的行星,还有其他因素也可能造成类似的亮度变化。例如,吸积过程自身受到扰动,从而出现亮度变化;X射线双星自身性质的变化,使得X射线源在一段时间内被关闭;或者,经过X射线源的不是行星,而是一颗体型较小的恒星(例如白矮星)。



正常情况及被遮挡时的X射线源(图片来源:研究论文)


不过,根据亮度曲线的变化特征以及其他天文学限制,这些选项被研究者逐一排除。因此,最大的可能性浮出水面:有一颗行星(命名为M51-ULS-1b)正在半径数十亿千米的轨道上,围绕这个双星系统运行。根据计算,M51-ULS-1b的体积略小于土星。


值得一提的是,这可以说是一项迟到了近8年的发现。这个信号早在2012年就被钱德拉望远镜捕捉到,但一度被埋藏在大量数据中,并没有受到格外的关注。直到迪斯蒂法诺等人开始关于银河系外行星的研究,其意义才凸显出来。


不过,现在要说确定发现了银河系外行星还为时尚早。目前这篇论文刚刚被上传至预印本网站,尚未通过同行评议从而正式发表。如果最终得到证实,这将是我们认识宇宙的重要进展,我们寻找行星的范围也将被大幅拓宽。同时,这也为寻找银河系内的类地行星提供了新的思路。


原始论文:


M51-ULS-1b: The First Candidate for a Planet in an External Galaxy


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