此次發現的行星候選者，正是位於(yu) 渦狀星係中。（圖片來源：ASA, ESA, S. Beckwith and the Hubble Heritage Team）

在2800萬(wan) 光年之外，我們(men) 首次找到了銀河係外行星？一項最新研究有可能讓我們(men) 找到搜尋行星的新思路。

撰文 | 吳非

1846年，法國天文學家奧本·勒維耶（Urbain Le Verrier）通過數學計算確定了一顆行星的準確位置。很快，海王星——已知的最後一顆太陽係內(nei) 行星——在勒維耶的指導下被觀測到了。

而人類再次找到一顆新行星，則要等到1992年。這一次，人類的視野衝(chong) 出了太陽係。在2800光年外的處女座中，射電天文學家亞(ya) 曆山大·沃爾茲(zi) 森（Aleksander Wolszczan）和戴爾·弗萊爾（Dale Frail）發現脈衝(chong) 星PSR 1257+12周圍有兩(liang) 顆行星在繞行，這也是第一次在太陽係之外找到行星。

從(cong) 海王星到第一顆太陽係外行星（簡稱係外行星），人們(men) 苦苦追尋了近一個(ge) 半世紀；而從(cong) 後者到找到第一顆銀河係外行星，我們(men) 可能隻用了不到30年。近日公開於(yu) 預印本平台arXiv的一篇論文宣布：利用錢德拉X射線天文望遠鏡的數據，研究人員在2800萬(wan) 光年外的渦狀星係，發現了一顆略小於(yu) 土星的行星。

銀河係內(nei) 的搜尋

在1992年首次確認係外行星的存在之後，天文學家搜索係外行星的步伐從(cong) 未放緩。截至目前，在3213個(ge) 恒星係統中，人們(men) 已經確認發現了4348顆係外行星，此外還有超過5000顆待確認。這其中，淩星法和徑向速度法是搜索係外行星的主要手段。

淩星法是基於(yu) 這樣的情景：當一顆行星掠過恒星表麵，由於(yu) 行星遮擋住恒星發出的一部分光線，這時地球觀測者眼中的恒星自然會(hui) 變得黯淡了。當然，原理看似簡單，但實際觀測並不容易。由於(yu) 恒星的體(ti) 積往往遠遠超過了其行星，因此恒星亮度的下降微乎其微。例如，當一顆類似地球的行星經過類太陽恒星時，恒星的亮度隻會(hui) 下降約萬(wan) 分之一。因此，隻有足夠精密的探測器，才能捕捉到這樣微弱的變化。

能夠實現這類觀測的，正是2009年發射升空的開普勒太空望遠鏡。在近10年的觀測壽命中，開普勒望遠鏡發現了2662顆係外行星。而在其退役之後，淩星係外行星勘測衛星（TESS）成為(wei) 繼承者，在更廣闊的視野、更遙遠的距離繼續尋找係外行星。

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行，行星的引力會(hui) 引起恒星遠離或靠近我們(men) 的速度發生變化。根據多普勒效應，我們(men) 可以在恒星光譜上發現這樣的變化。盡管信號同樣微弱，但天文學家早已通過該手段有所收獲。1995 年，米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲(zi) （Didier Queloz）就利用這一策略探測到了第一顆圍繞類太陽恒星運行的係外行星，二人也因此獲得去年的諾貝爾物理學獎。

不過，目前找到的這近萬(wan) 顆行星（及候選天體(ti) ）無一例外，都位於(yu) 銀河係中。當這些在銀河係中為(wei) 我們(men) 取得豐(feng) 碩成果的手段應用於(yu) 銀河係外時，卻都變得無能為(wei) 力。這一困境不難理解：無論是淩星法，還是徑向速度法，這些變化的幅度本就微弱，放在更遙遠的其他星係中，就更加難以觀測。

X射線淩星法

在這項由哈佛史密森尼天體(ti) 物理中心的天文學家R·迪斯蒂法諾（R. Di Stefano）領導的研究中，他們(men) 考慮的是另一類信號。

這項觀測的原理其實與(yu) 開普勒望遠鏡相似，都是淩星法——不過，信號源從(cong) 可見光換成了明亮的X射線源。在銀河係之外，明亮的X射線源主要源自X射線雙星係統。這類係統由一顆普通恒星和一個(ge) 大質量恒星的遺骸（例如黑洞或中子星）構成。後者巨大的引力能夠吸積伴星的物質，在這個(ge) 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於(yu) 尋找銀河係外行星，一個(ge) 原因在於(yu) ，它們(men) 蘊涵的能量巨大（例如此次信號的亮度就是太陽各波段總和的約100萬(wan) 倍）；更重要的是，在X射線淩星現象中，恒星亮度變化十分明顯。在正常的淩星現象中，由於(yu) 整個(ge) 恒星都在釋放輻射，因此途經的行星隻能遮擋住一小部分光線。相比之下，X射線的發射區域集中在狹小的吸積盤，當行星經過時，甚至可以將X射線完全遮住，這時X射線源如同經曆了一次“日全食”。

借助這一策略，研究團隊使用當代最先進的X射線望遠鏡——錢德拉X射線天文望遠鏡的數據，在距離我們(men) 超過2800萬(wan) 光年的渦狀星係（Whirlpool Galaxy）中，找到了一個(ge) 期待已久的信號。這組信號屬於(yu) 名為(wei) 一個(ge) M51-ULS-1的雙星係統：在持續3個(ge) 小時的時間內(nei) ，X射線的亮度如下圖所示，呈現出U型曲線，這正是淩星現象的特征。此外，在中間的20~30分鍾內(nei) ，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）

當然研究人員也意識到，除了途經的行星，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，從(cong) 而出現亮度變化；X射線雙星自身性質的變化，使得X射線源在一段時間內(nei) 被關(guan) 閉；或者，經過X射線源的不是行星，而是一顆體(ti) 型較小的恒星（例如白矮星）。

正常情況及被遮擋時的X射線源（圖片來源：研究論文）

不過，根據亮度曲線的變化特征以及其他天文學限製，這些選項被研究者逐一排除。因此，最大的可能性浮出水麵：有一顆行星（命名為(wei) M51-ULS-1b）正在半徑數十億(yi) 千米的軌道上，圍繞這個(ge) 雙星係統運行。根據計算，M51-ULS-1b的體(ti) 積略小於(yu) 土星。

值得一提的是，這可以說是一項遲到了近8年的發現。這個(ge) 信號早在2012年就被錢德拉望遠鏡捕捉到，但一度被埋藏在大量數據中，並沒有受到格外的關(guan) 注。直到迪斯蒂法諾等人開始關(guan) 於(yu) 銀河係外行星的研究，其意義(yi) 才凸顯出來。

不過，現在要說確定發現了銀河係外行星還為(wei) 時尚早。目前這篇論文剛剛被上傳(chuan) 至預印本網站，尚未通過同行評議從(cong) 而正式發表。如果最終得到證實，這將是我們(men) 認識宇宙的重要進展，我們(men) 尋找行星的範圍也將被大幅拓寬。同時，這也為(wei) 尋找銀河係內(nei) 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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