在半人马α星系统中搜索系外行星
作为已知距离地球最近的恒星系统，位于4光年多之外的半人马α星一直吸引着人们的想象力，无数的科幻作品都构思出了这个系统上的行星风景与外星文明。而随着系外行星搜索日渐成为热门研究领域，在这里真正寻找行星也不再是作家和编剧奇思妙想的专利，而成了严肃的科学话题。
身为《巴比伦5号》剧迷，说到半人马α星的文明，自然会想到剧中的半人马共和国，于是截个图来，半人马皇宫。请无视那惨不忍睹的CG吧，剧情还是很不错的。话说真的很想问，难道剧组穷到连一个实体模型也搭建不起的程度么，曾经威震一方的半人马共和国，其皇宫就简朴到这个地步，而且怎么看怎么假，剧中就不要反复给它特写了吧……
通常认为，半人马α由三颗成员星组成，半人马α A与B两星在周期79.9年的偏心轨道上彼此绕转，而小且暗淡的红矮星——比邻星在15000天文单位之外周期数十万年甚至更长的轨道上环绕这二者运行。有着60亿年年龄半人马α A与B的质量分别是太阳的1.1倍与0.93倍，光度则分别是太阳的1.52倍和0.5倍，可以认为是周边与太阳最为接近的恒星了。考虑比邻星超长的轨道周期以及对三颗恒星相对运动的观测结果，也有观点认为它并不是与半人马α A与B经由引力作用束缚在一起的，而只是凑巧出现在后者附近（或者只是将将束缚）而已。
对于系外行星搜索来说，半人马α系统除了知名度高容易激发公众想象力（以及可能成为未来星际探测器的首选目标这种看似更扯淡的理由）之外，更重要的是近距离可以为观测带来很大的便利。现有行星搜索手段，特别是根据主星轨道运动反推的视向速度法，对密近巨行星的发现更为有利，因此早年发现的系外行星多半具有轨道周期超短、质量与木星相当或者更大的特点。而沾了距离较近的光，发现半人马α系统中宜居带内的地球级行星无论使用那种方法都是相对较为容易的。
半人马α系统的照片，左：系统全貌；右上：半人马α A与B；右下：比邻星。（图片提供：ESO）
当然在正式开始行星搜索之前，必须要回答一个关键问题：在半人马α这样的三合星系统，至少是半人马A与B这样的双星系统中，行星轨道是否可以稳定存在？由于三体问题的复杂性，这一问题的解决需要借助计算机模型。在20余年的努力之后，研究者终于可以肯定，地球级行星可以在宜居带内稳定地环绕半人马α的A星与B星运行，其轨道可以在恒星一生之内保持稳定，只有一个前提：行星轨道相对两星绕行的轨道面倾角不超过40度。不过对于宜居带之外轨道周期更长的行星来说，由于伴星的影响，其稳定性就不容乐观了。
更重要的问题是，考虑伴星对星周盘的引力作用，行星（特别是类地行星）是否可以在三合星或者双星系统中形成？半人马α系统的金属丰度较高，倒是可以为类地行星准备足够的原材料，剩下的问题就取决于引力了。观测表明，确实有一些系外行星是存在于双星中的，两星彼此间距分布在很大的范围内，半人马α A与B的间距处在中间值的位置。但是理论计算和数值模拟结果却彼此相互矛盾，有人认为行星可以在距离半人马α A与B星相对较近的区域毫无障碍地形成，也有人称发现这样系统中的星子往往会受到伴星引力摄动而难以凝集成形。考虑当前对行星演化认知的不确定度，半人马α的行星搜索者也只好带着问题上路了。
最早针对半人马α的系统性视向速度研究是在2001年发表的，涉及欧洲南方天文台在1992年到1998年间进行的一系列观测，期间观测者对A、B两星各进行了200余次测量。虽然其中并没有发现任何行星存在的迹象，这项工作最大的意义在于为系统可能拥有的行星设定了质量上限，热木星基本是不大可能出现的了。2011年，来自英—澳行星搜索计划的新结果又将测量精度上限从大约每秒10米提升到了每秒4米，指出半人马α的两颗主星周围不可能存在土星级以上的行星。
半人马α B行星系的艺术图。（图片提供：ESO/L. Calçada/N. Risinger）
爆炸性新闻来自2012年10月。由Xavier Dumusque领导的欧洲南方天文台小组宣布，他们在2008年2月到2011年7月间通过对半人马α B的459次视向速度测量，他们发现了该星的视向速度存在周期3.2357天的变化，摆动幅度为每秒0.51米。这样的变化可以通过一颗轨道半径0.04天文单位，质量至少是地球1.1倍的行星来解释。虽然这样的行星因为距离恒星过近而并不宜居，如果证实了它的存在，还是足以说明双星系统中可以形成轨道稳定的类地行星的。
但是这样一个发现也是争议四起。这每秒0.5米上下的星体摆动可谓微乎其微，当前的观测精度以及数据处理能否应付？虽然半人马α B是一颗成熟的中年恒星，本身的活动（如可以类比于黑子的星斑，以及星体的对流）较弱，不过还是可以带来3倍于此的摆动，距离极近的半人马α A的星光带来的污染也是不得不加以考虑的。而Dumusque等人使用的是欧南台La Silla山3.6米新技术望远镜装备的HARPS光谱仪，仪器本身的精度只有每秒0.8米。虽然小组号称使用了新的分析技术，可以发现埋藏在数据中的微弱信号，却实在是难以说服众人停止质疑。比如有其他小组称，利用其他手段对HARPS的原始数据进行分析后发现这种周期性摆动信号置信度远没有Dumusque等人声称的那样高；有说是数据中的随机噪声本身即存在较强周期性信号；也有人使用其他仪器对半人马α系统进行了观测，但没能探测到任何行星存在的踪影。
Dumusque的小组找到的信号本质当然还有待未来更多的观测去证实或证伪，但最近若干年对于半人马α系统中的行星搜索是不大有利的。A、B两星将于2015年底抵达近星点，在此之前两星彼此间距会逐步缩短，加大了观测的难度。好消息则来自新西兰约翰山大学天文台小组。他们使用该台的McLellan望远镜从2007年起对半人马α系统开展了全面的观测，当下对两颗主星积累了超过4万条光谱。小组开发了一种新的技术，可以通过测量光谱中的H-α与钠元素D线的相对强度，并通过光谱模板来拟合两星的贡献，实现两星星光的分离，从而提升了发现行星的可能性。
半人马α B相对A星的轨道构型，从地球看去，2015年12月两星彼此间距最近。（图片提供：Wikimedia Commons/SiriusB）
与此同时，安装在口径更大的望远镜上的新一代光谱仪也都在研制之中，它们有望在启用后正式敲定Dumusque小组所发现信号的本质。至于通过长期监测恒星的光变来搜索行星，对于半人马α来说不赶巧的是，它并没有处在开普勒探测器的观测视野之内。另一条搜索行星的途径是直接成像，由于半人马α系统距离我们很近，其周围的行星还是有望出现在高灵敏度的照片上的，不过现有的观测都没能获得确切的结果，观测者还在盼望着未来更灵敏的照相机以及更精密的自适应光学系统投入使用。虽然该系统中可能存在的类地行星亮度仍旧过低，现有或即将入役的仪器仍旧远远不能发现它们，但海王星级的行星还是有可能在图像中浮出水面的。
