從“游星”到系外行星
——極簡行星發(fā)現(xiàn)史

卞毓麟

“游星”和行星

上古的初民早已發(fā)現(xiàn)，天空中的絕大多數(shù)星星仿佛構成一幅固定不變的圖畫，隨天穹周而復始地轉(zhuǎn)動著。這些固定的星星叫作“恒星”。

然而，有5顆亮星卻總是在眾星構成的圖形間游移不定，沿著復雜的路徑在群星之間自西向東徐徐穿行。古希臘人稱它們?yōu)閜lanetes，意為“游蕩者”或“游星”。后來這個詞進入英語，成了planet，即如今所說的“行星”。

古人所知的5顆行星，就是水星（Mercury）、金星（Venus）、火星（Mars）、木星（Jupiter）和土星（Saturn）。此處括號中所列，是它們的國際通用名，均源自古代希臘-羅馬神話。

古代天文學家?guī)缀醵颊`以為地球位于宇宙的中心，日月、行星和恒星全都繞著地球轉(zhuǎn)。錯誤的宇宙觀念使他們的探究走了許多彎路。直到16世紀，波蘭天文學家尼古拉·哥白尼（Nicolas Copernicus）終于提出“日心地動說”，闡明行星都繞著太陽轉(zhuǎn)動，地球也是一顆繞著太陽運轉(zhuǎn)的行星；月亮是地球的衛(wèi)星，直接繞著地球轉(zhuǎn)。行星離太陽由近到遠的次序為：水星、金星、地球、火星、木星和土星。太陽同它的全部“隨從”一起構成了太陽系。

17世紀初，德國天文學家開普勒（Johannes Kepler ）發(fā)現(xiàn)了著名的行星運動三定律：

第一定律：行星運行的軌道是橢圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。

第二定律：行星的向徑在相等的時間內(nèi)掃過相等的面積。

第三定律：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長徑的立方成正比。

他在《宇宙諧和論》（1619年）一書中極其興奮地寫道：

領悟到這一真理，超出了我最美好的期望。大事告成，書已寫就，可能當代就有人讀它，也可能后世方有人讀，甚至可能要等一個世紀才有人讀……這些，我就管不著了。

開普勒闡明了行星運動三定律

行星運動必定遵守開普勒闡明的這些定律，然而開普勒并不明白行星為什么會這樣運動。半個多世紀后，牛頓（Isaac Newton）又在探究這些定律的基礎上發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。原來，行星之所以像開普勒描述的那樣運動，乃是由于它們與太陽之間的萬有引力在起作用。

發(fā)現(xiàn)新行星

直到18世紀中葉，人們普遍認為土星軌道就代表了太陽系的邊界。然而，1781年3月，德裔英國天文學家威廉·赫歇爾（William Herschel）卻破天荒地發(fā)現(xiàn)了一顆比土星更遙遠的新行星！赫歇爾想將新行星命名為“喬治星”，以示對英王喬治三世的尊敬。但是以神話人物命名行星的古老傳統(tǒng)還是占了上風，人們將天神優(yōu)拉納斯（Uranus）的名字賦予新行星，在漢語中稱為“天王星”。在天文學中，將地球與太陽的平均距離稱為一個“天文單位”。土星與太陽相距9.54天文單位，天王星則與太陽相距19.6天文單位。

赫歇爾活了84年，恰好等于天王星環(huán)繞太陽運行的公轉(zhuǎn)周期。新行星的發(fā)現(xiàn)在社會公眾中激起了巨大的熱情，以至于英國浪漫主義大詩人濟慈（John Keats）讀到查普曼翻譯的荷馬史詩時因驚喜至極而留下了這樣的傳世名句（十四行詩《初讀查普曼譯荷馬》，1816年）：

于是我感到宛如一個瞭望天空的人，

正看見一顆新的行星映入他的眼簾。

萬有引力定律使天文學與力學攀上了親，天體力學由是應運而生。天體力學可以讓人們根據(jù)天文觀測回溯行星以往的運動，還可以預告行星來日的行蹤。1821年，法國天文學家布瓦爾（Alexis Bouvard）據(jù)此計算木星和土星的運動，與實際觀測完全吻合。但對于天王星，結(jié)果卻總是令人不滿。僅僅過了9年，布瓦爾的計算結(jié)果已與實際觀測差了20″；到1845年，這種差值已經(jīng)超過2′。

天王星運動的“出軌”著實令天文學家煩惱。是天體力學方法失靈了？還是在遠方另有一顆未露面的行星正用自己的引力拖著天王星的后腿？持后一觀點的人較多。但問題的難處在于：人們并不是先看見一顆行星然后來計算它的軌道，而是要根據(jù)天王星的反常行為來找到那顆未知的行星。

1846年9月23日，德國柏林天文臺的加勒（Johann Gottfried Galle）根據(jù)法國天文學家勒威耶（Urbain Jean Joseph Le Verrier）運用天體力學計算預告的位置，在群星間找到了這顆新行星。人們用羅馬神話中海神納普丘（Neptune）的名字為其命名，漢語稱為“海王星”。

海王星離太陽遠達30.1天文單位。在它之外，還有更遙遠的行星嗎？法國天文學家弗拉馬利翁（Nicolas Camille Flammarion）在其享譽全球的傳世名著《大眾天文學》（1879年）中寫道：

海王星雖然是我們現(xiàn)今所知最外邊的一顆行星，我們卻沒有權力斷定它以外就沒有別的行星。

你以為一切都已經(jīng)發(fā)現(xiàn)？

那真是絕頂?shù)幕闹嚕?/p>

這無異是把有限的天邊

當作了世界的盡頭。

美國的洛厄爾天文臺為搜尋“海外行星”付出了長期艱辛的努力。1930年初，該臺24歲的員工湯博（Clyde William Tombaugh）終于發(fā)現(xiàn)了期盼已久的海外行星——后來命名為冥王星（Pluto）。湯博生于1906年，少時家貧，未能上大學。直到發(fā)現(xiàn)冥王星之后，他才獲得堪薩斯大學的獎學金圓了大學夢。后來，他是新墨西哥州立大學的天文學教授，1997年以90高齡辭世。

長達70 余年之久，冥王星一直被認為是太陽系的第九顆大行星。此間，熱中于尋找“第十顆大行星”者不乏其人。但是，另一方面，冥王星卻太“另類”了：其體積和質(zhì)量都遠小于其他8顆行星，甚至比月球還小很多；其公轉(zhuǎn)軌道半長徑為39.4天文單位，但軌道偏心率高達0.24，因此它處于軌道近日點附近時比海王星離太陽更近……啊，難怪有不少天文學家質(zhì)疑：冥王星究竟是不是一顆夠格的大行星？

弗拉馬利翁的傳世名著《大眾天文學》

究竟什么是“行星”

在判明冥王星的身份之前，還應該提一下“小行星”。

第一顆小行星是1801年元旦之夜，意大利天文學家皮亞齊（Giuseppe Piazzi）發(fā)現(xiàn)的 “谷神星”（Ceres）。整個19世紀發(fā)現(xiàn)的小行星數(shù)以百計，如今已知的小行星則需以十萬計。它們都環(huán)繞太陽運行，但體積實在太小只能以“小”字相冠。谷神星的直徑約1 000千米，其他小行星比它還要小得多。多數(shù)小行星的運行軌道介于火星軌道和木星軌道之間，尤以軌道半長徑在2.1～3.5天文單位這一范圍——稱為小行星的“主帶”——之中者居多。

在太陽系中，從海王星軌道外側(cè)直到離太陽上百天文單位處，還散布著巨量的小天體。這個區(qū)域稱為“柯伊伯帶”，因荷蘭裔美國天文學家柯伊伯（Gerard Peter Kuiper）于1951年推測其存在而得名?！翱乱敛畮祗w”很可能是太陽系形成時期的殘留物，故可供探索太陽系形成期的環(huán)境信息。切實發(fā)現(xiàn)柯伊伯帶天體始于20世紀90年代，此時柯伊伯本人已經(jīng)去世20年。

歷史的車輪駛?cè)肓?1世紀。2005年7月29日，美國天文學家邁克爾·布朗（Michael E. Brown）的團隊宣布了一項極富戲劇性的發(fā)現(xiàn)：一個當時與太陽相距約97天文單位的天體——暫定名為2003UB313，在沿著長長的橢圓軌道環(huán)繞太陽運行，公轉(zhuǎn)周期560年。尤其重要的是，此星的大小幾乎與冥王星不分軒輊。因此布朗教授說，如果冥王星能稱為行星的話，那么“我們發(fā)現(xiàn)的這一顆就應該算是太陽系的第十大行星。”

布朗宣布這項發(fā)現(xiàn)時，人們所知的柯伊伯帶天體數(shù)已近千。到2005年底，已知柯伊伯帶中有12個天體的大小與冥王星在同一級別。難道它們都算是大行星嗎？究竟什么樣的天體才稱得上是一顆行星呢？

大行星和行星其實是一回事。添上一個“大”字，是為了更清晰地強調(diào)它們不是小行星。2006年8月，國際天文學聯(lián)合會作出決議，給“行星”下一個確切的定義，其要點是：（1）行星必須環(huán)繞自己所屬的恒星運行；（2）它必須有足夠大的質(zhì)量，從而其自身的引力足以使之保持接近于圓球的形狀；（3）已清空其軌道附近的區(qū)域，這意味著同一軌道附近只能有一顆行星。早先知道的八大行星都滿足這些條件。

另一方面，冥王星、2003UB313等雖然都滿足上述條件（1）（2），卻不滿足條件（3），即它們都未能清空其軌道附近的區(qū)域。它們身處柯伊伯帶中，那里的其他天體還多著呢！為此，國際天文學聯(lián)合會決議新設一個類別，將滿足上述條件（1）（2）但不滿足條件（3）的天體稱為“矮行星”。據(jù)此，谷神星亦須歸入這一類。

2006年9月13日，國際天文學聯(lián)合會將2003UB313正式命名為Eris，這原是希臘神話中紛爭女神的名字——她拋下引起紛爭的金蘋果，導致了慘烈的特洛伊戰(zhàn)爭。在漢語中，此星定名為“鬩神星”?！棒]”者，爭吵也。

其他眾多的小行星和柯伊伯帶天體，尚有待國際天文學聯(lián)合會繼續(xù)界定何者應確認為矮行星。目前確定的，除冥王星、鬩神星和谷神星外，僅有“妊神星”（Haumea）和“鳥神星”（Makemake）這兩顆。

系外行星

行星科學的研究課題不勝枚舉。有一個大問題就是：除了地球，其他行星上是否存在或是否可能存在生命，甚至存在先進的文明？

其實，這是一個古老的問題。古希臘戲劇家阿里斯托芬（Aristophones）曾在一個劇本中開玩笑：未受教育的人或許會認為下雨是“宙斯從一個細篩子里撒尿”。諸如此類的想法很容易引伸：除了人類，還存在著其他具有自由意志的生命。不過，在缺乏科學依據(jù)的古代，即使最偉大的學者對此也只能作一些聰明的猜測或樸素的思辨而已。

十九世紀末葉，由于據(jù)稱發(fā)現(xiàn)火星上有智慧生命開鑿的運河，曾經(jīng)掀起一陣討論火星文明的熱潮。如今人類發(fā)往火星的眾多探測器，卻未發(fā)現(xiàn)那里有任何生命的跡象。人們將會把更多的火星車送上火星進行更廣泛的考察，優(yōu)先考察的應是極冠的邊緣地帶，以及暴露在峽谷深處的諸多地層，那里存在生命的可能性或許比較大。

實地尋找或就近探測地外生命，目前僅局限于太陽系內(nèi)。除了火星，其他行星上存在生命的可能性更是微乎其微。至于太陽系外的其他恒星周圍是否也有行星環(huán)繞，直到四分之一個世紀前還始終只是猜測。恒星彼此相距十分遙遠，用天文望遠鏡不可能直接看見遠方恒星近旁的行星——這比從幾千米外的遠處看清一只在探照燈旁飛舞的螢火蟲更困難。也曾有過一些間接的線索，例如1983年，天文學家利用紅外天文衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)某些恒星周圍存在塵埃云，它們或許正處于形成行星的過程中。此外，1992年波蘭天文學家沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）和加拿大天文學家戴爾·弗萊（Dale Frail）在精確測量脈沖星PSR 1257+12的脈沖信號時，令人可信地推斷其周圍有兩顆行星。然而，可以肯定，在脈沖星周圍的嚴酷環(huán)境下，那里的行星上絕對不可能存在生命。

探索環(huán)繞一顆普通恒星轉(zhuǎn)動的行星，在1995年10月有了突破性的發(fā)現(xiàn)。當時瑞士日內(nèi)瓦大學的天文學家梅厄（Michel Mayor）和他的學生奎洛茲（Didier Queloz）宣布，他們發(fā)現(xiàn)一顆類太陽恒星飛馬座51近旁有一顆行星（后稱為飛馬座51b）繞之轉(zhuǎn)動，兩者相距僅約800萬千米——約為日地距離的1/20，因此飛馬座51b只需4天就沿著軌道公轉(zhuǎn)一周。太陽系外的行星，統(tǒng)稱為“系外行星”。飛馬座51b開創(chuàng)了系外行星天文學的新領域，迄今發(fā)現(xiàn)的系外行星已經(jīng)超過4 000顆。

梅厄（右）、奎洛茲（左）與宇宙學家皮布爾斯共獲2019年諾貝爾物理學獎

梅厄和奎洛茲發(fā)現(xiàn)飛馬座51b所采用的方法，稱為“視向速度法”。飛馬座51b的引力作用，致使其母恒星飛馬座51周期性地時而遠離、時而朝向觀測者運動。由于多普勒效應，飛馬座51的光譜線便隨之發(fā)生周期性的紅移和紫移。觀測這種光譜線的移動，可以反推對母恒星施加引力影響的系外行星的狀況。由于“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”，梅厄和奎洛茲共享了2019年諾貝爾物理學獎。其實還應該看到，他們不只是發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星，而且是率先實現(xiàn)了一種發(fā)現(xiàn)系外行星的方法。

還有一種尋找系外行星的重要方法稱為“凌星法”，是測量行星越過恒星圓面——即“行星凌星”——造成的星光下降，其情狀一如人們熟悉的水星凌日或金星凌日。

2009年3月，美國宇航局（NASA）發(fā)射了“開普勒空間望遠鏡”。它在4年多的工作期間，找到了數(shù)以千計的系外行星，其中有的星體及其周圍環(huán)境都同地球頗為相似。2013年5月，此鏡因故障被迫停止搜尋系外行星的任務。2013年8月18日，NASA表示修復無望，正式宣布結(jié)束其主要使命。2018年4月，NASA又發(fā)射了“凌星系外行星巡天望遠鏡”（簡稱TESS），可以期望它將使系外行星探索達到更新的高度。

系外行星天文學在短短二十多年間取得了驕人的成績，同時也面臨著種種新的挑戰(zhàn)。例如，飛馬座51b是一個體積與木星同量級的氣態(tài)行星，卻離母恒星如此之近，以至于其表面溫度顯著超過1 000K。天文學家一向認為類木行星只能在遠離母恒星的區(qū)域形成，那么這種“熱木星”又是如何形成的呢……關于系外行星的種種發(fā)現(xiàn)，正在不斷促使天文學家發(fā)展新的理論，去解釋行星孕育與誕生的物理過程。

不言而喻，目前對系外行星的探索，離回答那里有沒有生命、尤其是回答何處可能存在著地外文明還相當遙遠。但是，朝著這個方向前進，終有一天，人類會對“茫茫太空中，我們孤獨嗎？”給出一個非常出色的答案！