此次發(fā)現(xiàn)的行星候選者，正是位于渦狀星系中。（圖片來源：ASA, ESA, S. Beckwith and the Hubble Heritage Team）

撰文 | 吳非

1846年，法國天文學(xué)家奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）通過數(shù)學(xué)計(jì)算確定了一顆行星的準(zhǔn)確位置。很快，海王星——已知的最后一顆太陽系內(nèi)行星——在勒維耶的指導(dǎo)下被觀測到了。

而人類再次找到一顆新行星，則要等到1992年。這一次，人類的視野沖出了太陽系。在2800光年外的處女座中，射電天文學(xué)家亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）和戴爾·弗萊爾（Dale Frail）發(fā)現(xiàn)脈沖星PSR 1257+12周圍有兩顆行星在繞行，這也是第一次在太陽系之外找到行星。

從海王星到第一顆太陽系外行星（簡稱系外行星），人們苦苦追尋了近一個(gè)半世紀(jì)；而從后者到找到第一顆銀河系外行星，我們可能只用了不到30年。近日公開于預(yù)印本平臺arXiv的一篇論文宣布：利用錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，研究人員在2800萬光年外的渦狀星系，發(fā)現(xiàn)了一顆略小于土星的行星。

在1992年首次確認(rèn)系外行星的存在之后，天文學(xué)家搜索系外行星的步伐從未放緩。截至目前，在3213個(gè)恒星系統(tǒng)中，人們已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了4348顆系外行星，此外還有超過5000顆待確認(rèn)。這其中，凌星法和徑向速度法是搜索系外行星的主要手段。

凌星法是基于這樣的情景：當(dāng)一顆行星掠過恒星表面，由于行星遮擋住恒星發(fā)出的一部分光線，這時(shí)地球觀測者眼中的恒星自然會(huì)變得黯淡了。當(dāng)然，原理看似簡單，但實(shí)際觀測并不容易。由于恒星的體積往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其行星，因此恒星亮度的下降微乎其微。例如，當(dāng)一顆類似地球的行星經(jīng)過類太陽恒星時(shí)，恒星的亮度只會(huì)下降約萬分之一。因此，只有足夠精密的探測器，才能捕捉到這樣微弱的變化。

能夠?qū)崿F(xiàn)這類觀測的，正是2009年發(fā)射升空的開普勒太空望遠(yuǎn)鏡。在近10年的觀測壽命中，開普勒望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了2662顆系外行星。而在其退役之后，凌星系外行星勘測衛(wèi)星（TESS）成為繼承者，在更廣闊的視野、更遙遠(yuǎn)的距離繼續(xù)尋找系外行星。

另一種重要的觀測手段是徑向速度法。如果一顆恒星周圍有行星運(yùn)行，行星的引力會(huì)引起恒星遠(yuǎn)離或靠近我們的速度發(fā)生變化。根據(jù)多普勒效應(yīng)，我們可以在恒星光譜上發(fā)現(xiàn)這樣的變化。盡管信號同樣微弱，但天文學(xué)家早已通過該手段有所收獲。1995 年，米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz）就利用這一策略探測到了第一顆圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星，二人也因此獲得去年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

不過，目前找到的這近萬顆行星（及候選天體）無一例外，都位于銀河系中。當(dāng)這些在銀河系中為我們?nèi)〉秘S碩成果的手段應(yīng)用于銀河系外時(shí)，卻都變得無能為力。這一困境不難理解：無論是凌星法，還是徑向速度法，這些變化的幅度本就微弱，放在更遙遠(yuǎn)的其他星系中，就更加難以觀測。

在這項(xiàng)由哈佛史密森尼天體物理中心的天文學(xué)家R·迪斯蒂法諾（R. Di Stefano）領(lǐng)導(dǎo)的研究中，他們考慮的是另一類信號。

這項(xiàng)觀測的原理其實(shí)與開普勒望遠(yuǎn)鏡相似，都是凌星法——不過，信號源從可見光換成了明亮的X射線源。在銀河系之外，明亮的X射線源主要源自X射線雙星系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由一顆普通恒星和一個(gè)大質(zhì)量恒星的遺骸（例如黑洞或中子星）構(gòu)成。后者巨大的引力能夠吸積伴星的物質(zhì)，在這個(gè)過程中，吸積盤將釋放X射線。

這類X射線信號之所以能夠用于尋找銀河系外行星，一個(gè)原因在于，它們蘊(yùn)涵的能量巨大（例如此次信號的亮度就是太陽各波段總和的約100萬倍）；更重要的是，在X射線凌星現(xiàn)象中，恒星亮度變化十分明顯。在正常的凌星現(xiàn)象中，由于整個(gè)恒星都在釋放輻射，因此途經(jīng)的行星只能遮擋住一小部分光線。相比之下，X射線的發(fā)射區(qū)域集中在狹小的吸積盤，當(dāng)行星經(jīng)過時(shí)，甚至可以將X射線完全遮住，這時(shí)X射線源如同經(jīng)歷了一次“日全食”。

借助這一策略，研究團(tuán)隊(duì)使用當(dāng)代最先進(jìn)的X射線望遠(yuǎn)鏡——錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，在距離我們超過2800萬光年的渦狀星系（Whirlpool Galaxy）中，找到了一個(gè)期待已久的信號。這組信號屬于名為一個(gè)M51-ULS-1的雙星系統(tǒng)：在持續(xù)3個(gè)小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，X射線的亮度如下圖所示，呈現(xiàn)出U型曲線，這正是凌星現(xiàn)象的特征。此外，在中間的20~30分鐘內(nèi)，X射線信號完全消失了。

 X射線亮度的U型曲線（圖片來源：研究論文）

當(dāng)然研究人員也意識到，除了途經(jīng)的行星，還有其他因素也可能造成類似的亮度變化。例如，吸積過程自身受到擾動(dòng)，從而出現(xiàn)亮度變化；X射線雙星自身性質(zhì)的變化，使得X射線源在一段時(shí)間內(nèi)被關(guān)閉；或者，經(jīng)過X射線源的不是行星，而是一顆體型較小的恒星（例如白矮星）。

正常情況及被遮擋時(shí)的X射線源（圖片來源：研究論文） 

不過，根據(jù)亮度曲線的變化特征以及其他天文學(xué)限制，這些選項(xiàng)被研究者逐一排除。因此，最大的可能性浮出水面：有一顆行星（命名為M51-ULS-1b）正在半徑數(shù)十億千米的軌道上，圍繞這個(gè)雙星系統(tǒng)運(yùn)行。根據(jù)計(jì)算，M51-ULS-1b的體積略小于土星。

值得一提的是，這可以說是一項(xiàng)遲到了近8年的發(fā)現(xiàn)。這個(gè)信號早在2012年就被錢德拉望遠(yuǎn)鏡捕捉到，但一度被埋藏在大量數(shù)據(jù)中，并沒有受到格外的關(guān)注。直到迪斯蒂法諾等人開始關(guān)于銀河系外行星的研究，其意義才凸顯出來。

不過，現(xiàn)在要說確定發(fā)現(xiàn)了銀河系外行星還為時(shí)尚早。目前這篇論文剛剛被上傳至預(yù)印本網(wǎng)站，尚未通過同行評議從而正式發(fā)表。如果最終得到證實(shí)，這將是我們認(rèn)識宇宙的重要進(jìn)展，我們尋找行星的范圍也將被大幅拓寬。同時(shí)，這也為尋找銀河系內(nèi)的類地行星提供了新的思路。

原始論文：

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

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