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2017-11-3

被忽视的珍宝:系外行星最早的线索

Elizabeth Landau
译自NASA,2017年11月1日

艺术家笔下一颗被污染的白矮星周围的一颗系外行星与星周尘盘。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

在加州帕萨迪那(Pasadena)一处有着西班牙式红瓦屋顶的优雅办公楼里,3间已被岁月留下痕迹的储藏室守卫着半个多世纪的天文学历史。走下楼梯,让我们来到令人惊叹的地下室中。那里放着无数的木质抽屉和箱子,从地板摞到了天花板,里面装着望远镜底片、太阳黑子描图和其他记录。空气中充斥着氨水一般的淡淡味道,让人想起了老式底片。

加州帕萨迪那卡耐基天文台的一间储藏室存储着威尔逊山望远镜的档案以及其他天文学记录。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

守护着其中一间储藏室的是一扇低矮的黑门,上面挂着“保持此门关闭”的标志牌。

卡耐基天文台的储藏室大门。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

卡耐基天文台拥有威尔逊山、帕洛玛以及拉斯坎帕纳斯(Las Campanas)天文台在100多年间拍摄的25万张摄影底片。在全盛时期,威尔逊山的60英寸和100英寸望远镜(后者于1917年11月1日初光)是同类型仪器中最强大的。这两架望远镜都无可磨灭地改变了人类对宇宙中所处地位的认识。而这些工程壮举也超前于它们所处的时代——其中一个例子就是,它们捕获了一颗遥远行星的踪迹,直到一个世纪之后,人们才认识到了这一点。

威尔逊山的60英寸和100英寸望远镜。(图片提供:Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library)

20世纪初,威尔逊山作出了有关我们银河系和宇宙的一些关键发现。在这里,爱德温·哈勃认识到,银河系不会是整个宇宙的全部,原因是仙女星系(M31)的距离比银河系最遥远的边缘还要远。下面这张由100英寸胡克望远镜在1923年拍摄的底片就捕获到了这一纪念碑式的领悟,它被放大成了一张巨型海报,贴在卡耐基的储藏室外面。

这张底片证明了仙女星系(又名M31)必然是另一个星系。(图片提供:Carnegie Observatories)

哈勃与米尔顿·赫马森(Milton Humason,他在威尔逊山的职业生涯始于看门人)一同探索了宇宙膨胀的本质。他们使用这些传奇式的望远镜以及来自亚利桑那州旗杆镇(Flagstaff)洛厄尔天文台的数据,认识到星系团正在彼此远离——而且星系彼此间距越远,其相对运动速度就越快。

埃德温·哈勃。(图片提供:Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library)

米尔顿·赫马森。(图片提供:Observatories of the Carnegie Institution for Science Collection at the Huntington Library)

但是威尔逊山还作出过一个已有100年历史,但要鲜为人知得多的发现,而且直到最近它才得到了人们的辨识和欣赏。这是千真万确的:这里有系外行星最早的线索。

侦探故事

故事始于加州大学洛杉矶分校的天文学荣休教授本·朱克曼(Ben Zuckerman)。他受到杰伊·法里希(Jay Farihi)的邀请,正在为2014年7月的一场研讨会准备报告。报告是关于太阳系之外的行星以及小型岩石天体成分的。在法里希于UCLA就读研究生期间,朱克曼帮助指导了这名学生。法里希建议朱克曼讨论有关白矮星污染的问题。白矮星是类太阳恒星在耗尽核燃料、吹掉外围包层之后留下的暗淡而致密的遗骸。天文学家在这里说的“污染”是指入侵这类恒星光球层(也就是最外层大气)的重元素。问题在于,所有这些额外的元素本不该出现在这里——白矮星强劲的引力应该将其拉入星体内部,让它们不会为人所见。

人们辨认出的第一颗被污染的白矮星名叫范玛宁(van Maanen)星(在科学文献中被称为“范玛宁2号”),这是因它的发现者阿德里安·范玛宁(Adriaan van Maanen)而得名的。范玛宁通过关注其在1914年到1917年间相对其他恒星的微小运动而发现了这个天体。日后担任威尔逊山天文台台长的天文学家沃尔特·悉尼·亚当斯(Walter Sydney Adams)使用威尔逊山的60英寸望远镜,将范玛宁星的光谱(也就是化学指纹)记录在了一小块玻璃底片上。亚当斯将这条光谱解释为F型星,其依据大概是钙线的存在和强度,还有其他重元素的吸收特征,再加上比太阳稍高的温度。1919年,范玛宁称该恒星是一颗“非常暗淡的星”。

如今我们知道,位于大约14光年之外的范玛宁星是距离地球最近,且并不处于双星系统中的白矮星。

法里希最近说道:“这颗恒星是一个标志。它是此类恒星的第一个样本,着实是原型中的原型。”

在准备报告的时候,朱克曼遭遇的事情在日后被他称为真实的“尤里卡”时刻。范玛宁星应该就是系外行星存在的第一条观测证据;而1917年研究过它,并且在接下来的数十年里一直对其进行过探讨的天文学家对此并不知情。

这与系外行星又有什么关系?

恒星最外层大气中的重元素不应该是在恒星内部产生的,这是由于内部产生的元素会在白矮星强烈的引力场中迅速下沉。20世纪,随着更多光球中存在重元素的白矮星被人发现,科学家开始相信,这些奇特的物之必然是源于星际介质的。换句话说,这些元素漂浮在恒星之间的宇宙空间中。

但在1987年,也就是在威尔逊山天文台拍下范玛宁星光谱之后的70余年,朱克曼与同事埃里克·贝克林(Eric Becklin)报告称,他们发现了一颗白矮星周边的红外辐射超。他们认为,这样的超出现象可能源于一颗暗弱的“失败恒星”,也就是褐矮星。1990年,这颗恒星被解释为一颗周围环绕着富尘盘面的炽热白矮星。在21世纪的第一个10年即将结束之际,一种关于被污染白矮星的新理论现身了:系外行星可以将小型岩石天体向白矮星推去,而后者的引力会将这些小天体粉碎为尘埃。这样的尘埃含有已瓦解天体提供的重元素,日后它们有望落向白矮星。

法里希说:“底线是:如果你是一颗小行星或彗星,你不能仅仅改变自己的地址。你需要外物来推动你。显然,最可能干出这种事情的候选天体就是行星。”

对于周边环绕着高温富尘盘面的被污染白矮星的相关研究工作的扩展来说,NASA的斯皮策空间望远镜至关重要。自2003年发射以来,斯皮策已经证实了大约40颗此类特殊的恒星。另一架空间望远镜——NASA的宽视场红外巡天探测器也作出了几个发现,让已知被污染白矮星的总数达到了48颗左右。由于这种天体非常暗淡,辨认它们的关键就是红外线。

法里希说:“我们无法使用地面望远镜来测量这些天体发出的红外线的精确数量。斯皮策正好让这扇窗口大敞。”

NASA斯皮策空间望远镜的艺术概念图。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

为了支持关于被污染白矮星的“富尘盘”新理论,2007年,朱克曼与同事发表了对一颗拥有17种元素的白矮星的观测结果——这些物质与地月系的组分相似。[UCLA的已故教授、曾为被污染白矮星研究作出关键贡献的迈克尔·朱拉(Michael Jura)也是研究小组成员之一。]这是进一步的证据,说明至少一颗小型岩石天体(甚至是一颗行星)被白矮星的引力撕碎。现在科学家大体承认,光谱中表现出重元素存在的孤立白矮星可能至少存在一道岩石尘盘,也许至少还拥有1颗主要的行星。而尘盘就是发生过猛烈碰撞的天体的残余,这里永远也不会有行星形成。

因此,恰好漂浮在星际介质中的重元素并不能解释观测。朱克曼说:“在范玛宁的发现大约90年过后,天文学家说:‘哇,这种星际吸积模型可能不是正确的。’”

找寻光谱

受朱克曼的启发,法里希被这样一个想法迷住:1917年,有人拍下了一条带有系外行星最早线索的光谱,而有关这次观测的记录必然存在。他说:“我对这个问题咬牙切齿,不会放下它的。”

法里希联系了卡耐基天文台,后者管理着威尔逊山天文台,并保存着这里的档案。卡耐基的台长约翰·穆尔凯伊(John Mulchaey)让志愿者丹·克内(Dan Kohne)来解决这个问题。克内检索了档案,两天后,穆尔凯伊将光谱图像发送给了法里希。

法里希说:“坦白地说,我不能讲我被震惊到了,但当我看到上面的踪迹,而且发现踪迹肉眼可见时,就开心地掀飞了座椅。”

卡耐基天文台盛放观测记录的抽屉。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

法里希请求查寻的范玛宁星光谱现在存放在一只小小的档案套中,上面标着手写标签“1917年10月24日”,还贴着一张现代的黄色便签纸,写着“可能是系外行星的第一条记录”。

1917年10月24日拍摄的范玛宁星光谱现在的储存地点。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

卡耐基天文台历史委员会负责人、天文学家辛西娅·亨特(Cynthia Hunt)将玻璃底片从信封中取出并放在观片器下方,把底片照亮。光谱本身的宽度只有大约1/6英寸,也就是0.4厘米多一点。

范玛宁星的光谱。(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

虽然乍看之下底片并不引人注目,法里希却看到了两个明显的“尖牙”,它们对应光谱中的凹陷区域。对于他来说,这就是决定性的证据:由同一种钙离子发出的两条吸收线,这意味著白矮星的光球层中存在重元素,说明它至少拥有一颗系外行星。他在2016年为《新天文学评论》杂志写下了这段经历

范玛宁星光谱的放大图。(图片提供:Carnegie Institution for Science)

系外行星与尘盘

长久以来,科学家都认为巨型行星的引力可以让尘盘保持就位,在年轻的行星系统中尤其如此。近期发表在《天体物理学报》杂志上的一篇论文表明,与不具备盘面的恒星相比,拥有尘埃碎屑盘的年轻恒星更可能拥有距离主星较远的巨型行星。

白矮星并非年轻的恒星。恰恰相反,它们是在小质量恒星业已燃尽内部的燃料时形成的。但原理是共通的:巨型系外行星的引力作用可以将小型岩石天体扔向白矮星。

在大约50亿年之后,我们自己的太阳将变为一颗红巨星。在太阳吹散外围包层并形成白矮星之前,星体会大幅膨胀,甚至有可能将地球吞噬。那时,木星强劲的引力场对于小行星带来说可能更具破坏性,会将小天体弹向较现在暗淡得多的太阳。这一图景可以解释范玛宁星所具有的重元素。

斯皮策望远镜对范玛宁星的观测尚未在其周边找到任何行星。实际上,迄今为止,人们还没有确认环绕白矮星运行的任何系外行星,不过有一颗白矮星拥有一个据信应为大质量行星的天体。其他具有竞争力的证据只是在过去两年间出现的。包括朱克曼在内的科学家使用夏威夷的W·M·凯克天文台进行观测,发现了一颗白矮星吞噬一个类似柯伊伯带天体的证据。

科学家仍在探索被污染的白矮星,找寻它们可能拥有的系外行星。大约有30%的已知白矮星受到了污染,但它们的尘盘是难以观测的。朱拉提出,在大量小行星来袭并与盘中碎屑碰撞的情况下,尘埃可能会被转化为气体,它们不像尘埃那样能够发出极易被探测的红外信号。

法里希震惊于威尔逊天文台档案侦探故事的结果。2016年,他在一篇描述被污染白矮星的综述文章中描述了这一历史性的发现,称这颗白矮星为“系外行星系搜索具有竞争力的目标。”

谁又知道在这座伟大天文台的档案——也就是对富含微妙细节的宇宙留下的观天记录——中又有怎样被忽视的珍宝有待发现呢?当然,其他的线索将由受好奇心驱使并提出正确问题的人找到。

法里希说:“个人与数据的交互作用的确可以激励我们调研自己所提出的问题。”

100英寸胡克望远镜100岁生日快乐!(图片提供:NASA/JPL-Caltech)

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