搜寻行星中的“逆行”者

Marcus Chown　文　Shea　编译

太阳系外行星系统不断冲击着我们从太阳系中所获得的认识。我们真的是少数派吗？

　　美国加州理工学院的天文学家约翰·约翰逊（John Johnson）还记得他第一次找到“蓝色狮子”的那个夜晚。他当时正在美国夏威夷莫纳克亚山顶用昴星望远镜进行天文观测。在他开车来到这火山之癫前，美国麻省理工学院的天文学家乔希·温（Josh Winn）打电话给他，犹如以往对他开玩笑说：“今晚我们会找到一颗逆行的行星。”

　　逆行行星是指公转方向和其宿主恒星自转方向相反的行星。在我们的太阳系中没有这样的行星，但有少数天文学家严重怀疑在其他恒星周围可以找到它们。“这就像经过漫长的旅途偶然发现了一只蓝色的狮子，”约翰逊说。

　　然而，自从1995年发现了第一颗太阳系外行星以来，大自然就向我们展示了绿色的斑马、橙色的犀牛和紫色的水牛。作为开始，被称为“热类木星”的气态巨行星到它们宿主恒星的距离比木星到太阳的近上100倍。随后又出现了相比于它们的质量体积过于庞大的行星，太阳系中明显不存在的、质量介于地球和海王星之间的行星以及在长椭圆轨道上公转的、更像是彗星的行星。约翰逊说：“没有人曾猜想到，当我们发现其他的行星系统时，它们会和太阳系如此得大相径庭。”


　　逆行的行星则是其中的最新发现。之前已经知道，一些小行星、海王星的卫星海卫一乃至是特定类型的星系都是逆行的。而如此众多的特异性也使天文学家意识到，行星和其他天体远比我们过去想象的更为复杂。从我们所在的太阳系获得的认识可能只是冰山一角，逆行的行星给了我们一窥更多发现的机会。我们甚至会发现位于宜居带中的外星类地行星也和我们的地球风格迥异。

　　逆行行星的故事始于2005年。注意到太阳系外行星系统的惊人特性，约翰逊（当时在美国加州大学伯克利分校）和温瞄准了一个还没有被测量到、但却极有可能带来新发现的行星系统基本特性——行星公转轨道面和其宿主恒星赤道面的夹角。

颠倒的轨道

　　在太阳系中，这个角度平均只有大约7度。也就是说，所有行星的公转方向都和太阳自转相同，而且它们的轨道面也几乎都和太阳的赤道重合。这通常被认为是太阳系是由一个转动的气体和尘埃云形成的直接结果。这团星云会在自身的引力作用下坍缩，变成一个扁平的盘。“由于太阳和行星都是从盘中具有相同转动方向的物质聚集而成的，行星的轨道自然就会和太阳的赤道面重合并且具有相同的转动方向，”约翰逊说。

　　但这就是故事的全部了吗？“鉴于太阳系外行星一直在撼动我们已有的认识，我们希望能发现一些有趣的东西，”约翰逊说。

　　不过这很大程度上也仅仅是希望。在检查了9颗太阳系外行星的轨道之后，他们发现其中8颗的公转平面和它们宿主恒星的赤道面完美重合，而另一颗也仅有十几度的倾角。约翰逊和温意识到，其他人对他们这个计划的耐心正在消失殆尽。到2008年，他们之前一直使用的美国夏威夷凯克望远镜拒绝了他们更多观测时间的申请。

　　他们毫不气馁，成功申请到了凯克望远镜附近昴星望远镜的两个观测夜晚。但约翰逊和温并不是唯一在寻找具有反常轨道太阳系外行星的人。来自英国大角度行星搜索计划（WASP）的天文学家也在搜寻它们。他们已经发现了一颗行星WASP-14，它的轨道和宿主恒星赤道间的夹角达到了70度。“它虽然不是一颗逆行的行星，但却强烈地暗示这些不同寻常的行星就在那里，”约翰逊说。

　　在昴星望远镜的第一个晚上，约翰逊通过观测WASP-14b的宿主恒星所发出辐射的微小变化测量了它的轨道面倾角。随着恒星的自转，它的一侧表面会远离我们，这一侧表面所发出的光就会红移到波长更长的波段上。相反地，朝向我们运动的一侧所发出的光则会蓝移。当有一颗行星从这颗恒星的前方经过（凌星）时，事情就会发生微妙的变化，它会遮挡住一部分的星光。通过比较红移和蓝移变弱的时间就能甄别出这颗行星的公转方向是否和其宿主恒星的自转方向一致。

　　使用这一技术，约翰逊把WASP-14b的70度倾角下调到了30度。不过这个值仍然很大且不同寻常。

成王败寇

　　在第二个夜晚，约翰逊观测了一颗被称为HAT-P-7b的太阳系外行星，但他并没有立刻检查测量数据。几个小时之后当他看到结果的时候，下巴都快掉下来了。这颗行星轨道的倾角非常大，必定是一颗逆行的行星。他发现了一头蓝色的狮子。

　　深知这项发现会有多异端，约翰逊在再三检查、核实这一结果的过程中对此一直三缄其口。“在科学中，你的唯一通行证就是你的可信度，”约翰逊说，“你真的承担不起没有它的后果。”

　　因此他勤奋工作了三周的时间，排除了所有可能的其他解释。最终毫无疑问地确信，这是一颗逆向围绕其宿主恒星公转的行星。“只有在那时我们才打开了香槟，”约翰逊说。

　　他们两个人迅速写了一篇论文，并把它提交到了《科学》杂志。难以置信的是，他们被告之，由英国基尔大学的戴维·安德森（David Anderson）领导的WASP团队捷足先登。WASP团对也宣布发现了一颗逆行的行星WASP-17b。“虽然我们只差了一天，但这就是生活，”约翰逊说，“我们屈居第二，把论文转投到了《天体物理学报通信》。”

　　HAT-P-7b是一颗木星质量的行星，以圆轨道绕一颗距离地球300光年远的恒星转动。令人惊讶的是，目前已经发现了6颗逆行的行星，其中有5颗是由WASP发现的。“逆行和高倾角的行星着实令人震惊，”发现太阳系外行星数量最多的、美国加州大学伯克利分校的天文学家杰夫·马西（Geoff Marcy）说，“我还是几乎无法相信它们的存在。这些颠倒的轨道正在颠覆我们从太阳系身上所获得的认识。”

　　其中的一大问题是，行星是如何拥有这样一条逆行轨道的？一种理论认为，随着行星在原行星盘中形成，小天体和碎片会漫天飞舞。在这样的一个混乱环境中，就会发生三个天体之间的碰撞，其中一个会被猛烈撞击造成其公转方向被逆转。

　　这样的三体散射虽然发生在一个小尺度上，但却被认为是造成海卫一逆行轨道的原因。“一些逆行的行星极有可能是在三体引力交会的过程中被俘获的，”英国伦敦大学玛丽女王学院的克雷格·阿格纳（Craig Agnor）说，正是他提出了对海卫一的这一解释。

　　另一种可能是逆行的行星俘获自另一颗靠得过近的恒星的周围。或者也许是恒星本身的自转就颠倒了过来，例如恒星磁场和原行星盘磁场间的相互作用就有可能导致这一结果。

　　约翰逊本人则更青睐另一种机制。1962年日本天文学家古在由秀提出了一个理论来解释一些相对于行星轨道平面具有高倾角的小行星。根据古在机制，行星和其他天体之间的引力相互作用可以使得行星的轨道面大幅度倾斜进而最终使得它逆行，即轨道面倾角超过90度。

　　最近，约翰逊的小组研究了32颗太阳系外行星样本的轨道倾角来检验古在机制是否能解释它们的倾角分布。他们发现，虽然结合行星间的碰撞可以奏效，但光靠古在机制本身还不行。

　　无论真正的机制如何，逆行行星的存在本身就是非凡的。它们证明，大自然远远超出了我们的太阳系形成简单模型所能预示的。

　　到目前位置，我们已经找到了500多颗太阳系外行星。然而，却还没有一个具有代表性的样本。“我们的探测技术倾向于发现靠宿主恒星较近的大质量行星，因此我们还不确定太阳系外行星的全貌，”约翰逊说。谁知道几年之后又会冒出什么奇特行星？我们也许会发现，其实我们的太阳系才是最特殊的。

　　不过，马西对此已经深信不疑。“我们的太阳系是不同寻常的，”他说，“它的岩质行星位于宜居带中，而且即便大行星可能曾经穿越过它们的轨道，它们也依旧保持着近圆形。我们也许会发现，类似太阳系的行星系统——在圆轨道上存在地球大小的岩质行星——才真的是极为罕见的。”




[New Scientist 2010年12月20日]



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