寻找太阳系外的行星

沉落湖心

究竟有没有外星人？这是一个人们常问的问题。然而要回答这个问题，科学家就需要先回答另一个问题：究竟有没有像地球这样的行星？在太阳系以内肯定是没有的，那么，在太阳系以外呢？太阳系以外是那么遥远，怎么才能看清那里的情形呢？一群“猎星人”正孜孜不倦地进行着一场旷日持久的“猎星比赛”，以期寻找到问题的答案。


    一个多世纪以来，天文学家们一直在努力寻找太阳系以外的行星。令人遗憾的是，直到现在，人类还只能直接观测太阳系以内的行星，其中一些凭肉眼即可看见，而另一些则是经过了几个世纪才得以发现的。借助于望远镜，天王星在1781年被发现。海王星在1843年被发现。而冥王星直到1930年才被发现，即便是在望远镜的视野中，它也不过是在一片相对静止的群星背景中移动的一个不起眼的小小光斑而已。冰封的小个子行星——海王星距离地球是如此遥远。它被发现之后又过了50年，它的卫星才被发现。寻找遥远的行星之所以如此艰难，原因就是缺乏足够发达的探索技术。不过，这个技术壁垒现在正在坍塌：随着更好的望远镜、速度更快的计算机和更新的理念的出现，寻找大阳系以外的行星的努力正在不断地取得成果。


    原理：行星作怪恒性打颤


    寻找遥远的行星的最大难题，就是人们看不见它们。原因是行星自身不发光，而只能反射恒星的光芒。如果把恒星比喻为一台功率强大的探照灯，那么行星就只是站在探照灯边缘的一只小小荧火虫。“探照灯”是如此耀眼，“荧火虫”当然就毫不起眼了。那么，怎样才能“看见”太阳系以外的行星呢？

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首先，不妨借助引力的作用。行星围绕恒星转动时，其引力会对恒星造成小小的影响，行星每转一圈。恒星就会“摇摆”一下：从稍稍偏向一边转而稍稍偏向另一边。所以，早在20世纪初，就有人提出通过探查恒星的“摇摆”来寻找行星。随着光学技术和数据收集技术的提高，这一思路的可行性也逐渐增加，其具体内容被称作“天体测量学”。操作方法是：选定一片天空，透过望远镜拍摄其图像；测定其中各星球的相对位置；然后每过一段时间，对同一片天空重复同样的操作……。最后，比较多次拍摄到的图像，观察各星球的运动是呈线形模式还是呈“摇摆”模式。


    当然，“摇摆”的幅度是非常微小的，就连比地球大1000倍的木星对太阳产生的影响也十分难辨。有人打了一个比方，要想观察行星所造成的恒星“摇摆”，就好比是想在地球上看清一个在月球上招手的人。更糟糕的是，转动的地球大气层还会导致星光闪烁，从而扰乱观测者的视线。


    不过，到太空中去观测就能避开这一难题，比如利用著名的“哈勃”太空望远镜上的精确导向传感器，就有可能发现恒星的“摇摆”。远在地球大气层上空极高处运行的“哈勃”，是迄今为止最为昂贵的望远镜。早在7年前，美国天文学家弗里兹·本迪克特就开始利用“哈勃”来探寻行星。但“哈勃”的任务非常繁重，而搜索行星也并不是它的主要目标。因此迄今为止，“哈勃”只针对屈指可数的几颗恒星进行过“摇摆”探查。因此，本迪克特在寻找地外行星方面并不比只利用地面望远镜的同行们更成功。


    还有一种探查行星的方法，可较少受到地球大气层的干扰。这种方法不是观察恒星位置的变化，而是观察恒星颜色的改变，因为颜色的变化也表明恒星在运动。事实上，每当我们仰望夜空，其中的每一点白色星光都包含着大量的信息。正如阳光可以被分解成彩虹中的七色光一样，白色星光同样也可被分解为组成它的从蓝到红的各色光。星光之所以重要，还在于它是穿越恒星大气层而来到地球的，其中自然包含着恒星的信息。美国天文学家乔夫·马西每次观测恒星时，都会把恒星之光分解成光谱，而恒星大气层所吸收的波长则以线条的形式出现于其中，被称为“吸收线”。通过记录“吸收线”，马西就为星光录下了“指纹”，因为这一“指纹”与恒星所处的位置一一对应。假如恒星受到了不可见的行星的拉动，那么光谱中的“吸收线”也会移动，这门科学被称作“光谱学”。当恒星朝着你的方向“摇摆”时，“吸收线”会向着一边偏移；而当恒星朝着离开你的方向“摇摆”时，“吸收线”则会向另一边偏移；偏移的程度越大，说明行星的质量越大。


    从理论上说，像木星那样的大行星有可能最先被发现，但是也最有可能像木星一般虽然巨大却毫无生气。这难免让人气馁，但马西对此却满怀信心，他认为和木星一般大小的行星的存在恰恰有可能是找到类地行星的关键之所在。为何这样说呢？木星就好比是一部“宇宙吸尘器”它在运行过程中把大阳系形成之初余下的一切星子（组成行星的“原始胚胎”）扫荡干净，彗星、小行星要么被木星的巨大引力甩到太阳系的边缘。要么被木星吞噬，从而消除了地球遭遇频繁撞击之虞，为生命在地球上的出现和演化创造了安全的环境。

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寻找遥远行星的工作还远非上面所讲，实际上这项工作简直堪称难上加难。直到1996年，科学家们总共也只探索了30多颗恒星，且未能找到哪怕一颗大行星。这让他们大为惊讶，因为在他们看来，除了太阳之外，我们的周围起码有数十亿颗恒星，不可能只有太阳才拥有行星。科学家们相信每一颗恒星都应该像太阳那样具有一个行星系统，并且其中必有一颗像木星那么大、甚至更大的行星，可是他们却连一颗这样的行星也未找到。有的科学家甚至因此相信，或许木星果真是个稀罕之物，或许像大阳系这样的系统果真十分少见，或许地球以外果真很难有生命存在……。


    虽然未能找到其他行星，科学家却找到了新的行星系统正在诞生的证据。那是在1983年，一架被称为“IRAS”的特制太空望远镜被送到了地球大气层以外的空间，这架望远镜不是利用可见光来拍照，而是利用遥远恒星所散发的热量进行红外线成像。IRAS发现一颗恒星被一条怪异的固体微粒带包围，这些固体粒子显然是被恒星的引力所俘获的。（天文学家相信，太阳系中的行星也是由类似的固体尘埃形成的。）接着IRAS又发现了更多有关行星系统正在形成的证据。


    其实，此前科学家利用地面望远镜早已观测到了恒星的形成。恒星是在巨大的分子云中形成的。分子云的质量通常为太阳质量10000倍至100万倍。由于迄今未明的原因，其中一部分分子云会集聚在一起，并在自身引力作用下变得不稳定而开始坍缩，同时开始旋转。开始时分子云的转速极慢，大约要花2亿年才能转一圈。接下来，在坍缩过程中，分子云会越转越快，越转越平，仿佛要变平成一张巨大的“锅摊”。最后形成一个盘片状的结构，其温度极高的中心最终形成恒星，周围则形成行星。由此不难看出，每次形成新的恒星，同时也就应该形成行星系统。事实上，在已被观测过的恒星中，有超过半数都拥有这样的“星盘”，理所当然会形成行星。难怪天文学家们会认为宇宙中充满了行星——尽管他们寻找其他行星的努力还一无所获。

    更有甚者，有些人简直确信“外星人”的存在，以至于他们跳过了寻找类地行星这一环节，直接去倾听“外星文明”的声音。他们的理由直截了当：假如外星人的确存在，它们就一定会向地球人发出召唤。于是，早在1960年，就有天文学家开始利用射电望远镜来寻找外星人。即扫描其他文明所发出的星际电波。随着时间的推移，寻找外星人计划的规模也越来越大，甚至连大导演斯皮尔伯格也加入进来，资助建造了一架专门用于寻找外星人的射电望远镜。最终，科学家们设计出了能同时倾听成千上万种无线电频率的方法。尽管这项诱人的计划至今仍未能取得任何实质性的成果，但该计划的组织者和很多参与者仍然坚信，缺乏证据并不意味着没有证据；如果现在就放弃努力，则永远也不能找到证据。

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具有讽刺意味的是，在20世纪的最后10年中率先为太阳系以外存在行星提供证据的人并非是“猎星人”，而是一位虽然也一直在倾听苍穹，但不是为寻找外星人，而只是对一类被称为“脉冲星”的奇异天体饶有兴趣的美国天文学家——安德鲁·林恩。林恩是全球发现脉冲星最多的人。脉冲星被认为是“死亡之星”，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个“核”，仅有一座城市大小，旋转速度达到每秒600圈。在旋转过程中，脉冲星发出的无线电波束能在地球上探测到，表现为稳定脉冲。正是由于其稳定性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。


    不过，林恩却发现了一类奇怪的脉冲星，其脉冲总是会早到或晚到地球几毫秒，这种情况每半年就出现一次，仿佛是脉冲星一会儿朝着我们而来，一会儿又离开我们而去。他把自己的这一发现发表在了著名的科学杂志《自然》上面，结果立即震惊了学术界。真是令人难以置信，林恩在偶然间发现了脉冲星被行星引力拉祉而“摇摆”的证据。


    然而，当林恩为了准备在即将到来的美国天文学年会上的发言而重新检查并修正有关数据时，他却突然发现自己犯了一个错误：他所发现的“摇摆”，其实只是地球自身在环绕太阳运行过程中所产生的“摇摆”。但由于电脑出错，先前未能考虑到这一因素，所以才出现了脉冲星“摇摆”的错误结论。林恩一下子呆了，呆了整整一个小时。他坐在那里，一心想的只是自己在过去6个月里一直在怎样向别人“推销”自己的谬误！痛定思痛，他做出了一个十分艰难的决定，必须公开承认这一重大失误。于是，他如期出现在了美国天文学年会上。面对包括本迪克特在内的500位正期待着与他分享成功喜悦的同行们。林恩说出了自己所犯的“愚蠢”的错误。他说：“很不幸，这是一个错误！”本迪克特不禁叹惜：“唉！”接着500位听众“唉”声一片。然后全体起立，为林恩的诚实热烈鼓掌。毕竟，多年的辛勤探索就这样在顷刻间灰飞烟灭，不值得惋惜吗？这样的科学精神不值得赞叹吗？

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不过，那一天还有一位脉冲星观测者——亚历克斯·沃尔兹坎准备发言，但与林恩不同的是，他有无可辩驳的证据可以证明：有一颗脉冲星不仅只被一颗行星所环绕，而是具有一整套行星系统！发言之前，沃尔兹坎有些忐忑不安，因为林恩的认错无疑更强化了一种根深蒂固的观念——“脉冲星不可能有行星环绕”。不过这一次，事实证明沃尔兹坎是对的，他不仅发现了脉冲星的“摇摆”而且计算出有3颗行星在围绕这颗脉冲星运行，并且这些行星每200天就相会一次，每一次其中两颗较大的行星都会相互拉扯，使它们各自的运行轨道发生微妙的改变。


    人类有史以来终于第一次发现了宇宙中的其他行星系统。对此有人却并不感到激动，因为他们想找的是那些有生命的行星。而脉冲星无时无刻不在发出强大的射线和无线电波，其周围的行星上显然不可能有生命，但更多的人却表示了乐观；既然在脉冲星周围如此恶劣的环境中都能形成行星，那么像太阳一样的其他“好”恒星周围就必定也会有行星存在。


    对那些希望找到“生命之星”的人来说，前提当然是找到“合适”的“摇摆之星”。也就是说，其他地方要想有生命，也必须具备地球所拥有的那些对生命友好的条件，即：必须有像太阳一样的“好”恒星，并且该恒星与其行星之间的距离也必须像太阳与地球之间的距离一样合适。


    通过望远镜观测，人们已经发现与太阳或多或少相似的恒星至少有成千上万颗，并且把它们全部都记录在了全球通用的《明亮恒星分类目录》中。不过，所有的“猎星人”都有自己所偏好的恒星名单，并且会连续数年对这些恒星作观测。是否选择到了“好”恒星，直接关系到在“猎星比赛”中的成绩如何。


    通过光谱来寻找行星的代表人物除了前面提到的乔夫·马西之外，还有两位经常前往法国工作的瑞士天文学家——梅耶和格罗兹。他俩的恒星名单上一共有多达140颗恒星，这简直堪称是一个雄心勃勃的数字，但后来发生的事实证明他俩真的很幸运。在他们首先选定要观测的恒星中，有一颗是位于飞马座星座中的51号星，被称作“飞马座51号”。他们在对其观测了仅仅几个月之后，就发现该恒星在“摇摆”。于是，在接下来的数月里，格罗兹和梅耶每天都驱车从日内瓦前往法国的天文台。每观测一次，他们都把“飞马座51号”的运行速度画在表上。每一次，他们都发现“飞马座51号”的速度有变。随着观测数据的逐渐增加，他们最后终于看出了一种模式；整张表中不是只出现了一次“摇摆”而是出现了几十次。最终查明，有一颗“隐形”的行星每4天就环绕“飞马座51号”一圈。虽然令人难以置信，但证据明明白白摆在那儿。接着，他俩开始预测“飞马座51号”的动向，结果准确无误。接下来他们在意大利佛罗伦萨举行的一次会议上公布了自己的发现，结果立即引起巨大的轰动。

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不过，也有天文学家不相信这一发现。在他们看来，这颗行星的运行轨道距离“飞马座51号”是如此之近，并且该行星的体积又是如此之大，而像木星这样的大行星距离太阳却是如此之远，这岂不是很矛盾吗？一种解释是：该行星原先是在距离“飞马座51号”很远处演化出来的，但随后却被“飞马座51号”的强大引力逐渐拖了过来，在此过程中，该行星将“飞马座51号”周围的尘埃全部一一揣进了自己的“口袋”中。当再也没有尘埃可供它吸纳时，该行星就留在了与“飞马座51号”距离相对很近的轨道中。现在，天文学家普遍相信这是一颗大小在半个至两个木星之间的行星。并且它与“飞马座51号” 之间的距离只有地球与太阳之间距离的1/2。


    其实，乔夫·马西一直很自信能找到与环绕“飞马座51号”的那颗行星大小相仿的行星，为什么却让瑞士同行给先拔头筹了呢？原因很简单，虽然两组人马运用的是相同的技术，又都是从相同的目录中选择观测对象，但是马西“漏”选了“飞马座51号”。在马西所使用的1982年版《明亮恒星分类目录》中，“飞马座51号”被列为“G2型亚巨星”。也就是说，它被认为是一颗已经衰老的恒星。从理论来讲，恒星衰老之后，自身会膨胀，其大气层会变得多泡而发出“咕噜”声，很像烧开了的水，从地球上观测很不容易。正是由干这个原因，马西才没有选择“飞马座51号”来进行观测。但事后证明“飞马座引号”其实正是一颗与太阳相类似的恒星，是“猎星人”的最佳观测对象。格罗兹与梅耶取得成功的另一个原因是他们的数据处理方法更合理，也更快捷。


    两位瑞士人的发现堪称是可以载入史册的重大进步。从瑞士同行那里马西受到了启发，并着手改变自己的工作程序。在梅耶和格罗兹宣布发现“飞马座51号”附近行星的两周之后，马西宣布自己发现了两颗各有一颗行星环绕的恒星，其中一颗是“大熊座47号”。“猎星”近十年之后，马西终于取得了丰硕成果。更可喜的是，他发现的两颗行星中，有一颗（即“处女座70号”恒星的行星）显示出了些许“生命征兆”。因为该行星与其母恒星的距离相当于水星与金星之间的距离，既不算太远，也不算太近。因此该行星表面的温度应该相对适宜——只有80摄氏度，也就是说该行星表面可能存在水，而非只有冰和水蒸气。令马西更感兴趣的是，该行星可能拥有卫星，这些卫星有可能像火星一般大。因为在母行星热量的影响下，这些卫星可能会拥有足够的大气压，因而卫星表面可能拥有液态水，这就为生命的演化提供了条件。“伽利略号”探测器拍摄到的木星的两颗卫星的照片显示，这两颗卫星的表面下都可能拥有全球性的海洋其中也许生活着一些原始的生物。


    科学终于打破了地球与太阳系以外的世界之间的“屏障”。迄今为止，总共已经发现了至少上百颗太阳系以外的行星。不过，究竟是否存在外星生命，最终还是得通过对外星的直接观察才能确定。其实，这样的技术正日趋成熟。早在30多年前，“阿波罗”登月计划中的航天员就在月球表面拍摄到了“地球升起”的照片。人们有理由相信，再过三五十年，拍摄距离地球50光年以外的行星照片也将不成问题。到那时，也许我们就能信心十足地回答这个问题：大阳系以外究竟有没有生命？

白天不懂夜的黑

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