行星|银河系外的行星，可能首次被人类找到了！
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此次发现的行星候选者 ， 正是位于涡状星系中 。 （图片来源：ASA, ESA, S. Beckwith and the Hubble Heritage Team）
在2800万光年之外 ， 我们首次找到了银河系外行星？一项最新研究有可能让我们找到搜寻行星的新思路 。
撰文 | 吴非
1846年 ， 法国天文学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）通过数学计算确定了一颗行星的准确位置 。 很快 ， 海王星——已知的最后一颗太阳系内行星——在勒维耶的指导下被观测到了 。
而人类再次找到一颗新行星 ， 则要等到1992年 。 这一次 ， 人类的视野冲出了太阳系 。 在2800光年外的处女座中 ， 射电天文学家亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）和戴尔·弗莱尔（Dale Frail）发现脉冲星PSR 1257+12周围有两颗行星在绕行 ， 这也是第一次在太阳系之外找到行星 。
从海王星到第一颗太阳系外行星（简称系外行星） ， 人们苦苦追寻了近一个半世纪；而从后者到找到第一颗银河系外行星 ， 我们可能只用了不到30年 。 近日公开于预印本平台arXiv的一篇论文宣布：利用钱德拉X射线天文望远镜的数据 ， 研究人员在2800万光年外的涡状星系 ， 发现了一颗略小于土星的行星 。
银河系内的搜寻
在1992年首次确认系外行星的存在之后 ， 天文学家搜索系外行星的步伐从未放缓 。 截至目前 ， 在3213个恒星系统中 ， 人们已经确认发现了4348颗系外行星 ， 此外还有超过5000颗待确认 。 这其中 ， 凌星法和径向速度法是搜索系外行星的主要手段 。
凌星法是基于这样的情景：当一颗行星掠过恒星表面 ， 由于行星遮挡住恒星发出的一部分光线 ， 这时地球观测者眼中的恒星自然会变得黯淡了 。 当然 ， 原理看似简单 ， 但实际观测并不容易 。 由于恒星的体积往往远远超过了其行星 ， 因此恒星亮度的下降微乎其微 。 例如 ， 当一颗类似地球的行星经过类太阳恒星时 ， 恒星的亮度只会下降约万分之一 。 因此 ， 只有足够精密的探测器 ， 才能捕捉到这样微弱的变化 。
能够实现这类观测的 ， 正是2009年发射升空的开普勒太空望远镜 。 在近10年的观测寿命中 ， 开普勒望远镜发现了2662颗系外行星 。 而在其退役之后 ， 凌星系外行星勘测卫星（TESS）成为继承者 ， 在更广阔的视野、更遥远的距离继续寻找系外行星 。
另一种重要的观测手段是径向速度法 。 如果一颗恒星周围有行星运行 ， 行星的引力会引起恒星远离或靠近我们的速度发生变化 。 根据多普勒效应 ， 我们可以在恒星光谱上发现这样的变化 。 尽管信号同样微弱 ， 但天文学家早已通过该手段有所收获 。 1995 年 ， 米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）就利用这一策略探测到了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星 ， 二人也因此获得去年的诺贝尔物理学奖 。
不过 ， 目前找到的这近万颗行星（及候选天体）无一例外 ， 都位于银河系中 。 当这些在银河系中为我们取得丰硕成果的手段应用于银河系外时 ， 却都变得无能为力 。 这一困境不难理解：无论是凌星法 ， 还是径向速度法 ， 这些变化的幅度本就微弱 ， 放在更遥远的其他星系中 ， 就更加难以观测 。
X射线凌星法
在这项由哈佛史密森尼天体物理中心的天文学家R·迪斯蒂法诺（R. Di Stefano）领导的研究中 ， 他们考虑的是另一类信号 。
这项观测的原理其实与开普勒望远镜相似 ， 都是凌星法——不过 ， 信号源从可见光换成了明亮的X射线源 。 在银河系之外 ， 明亮的X射线源主要源自X射线双星系统 。 这类系统由一颗普通恒星和一个大质量恒星的遗骸（例如黑洞或中子星）构成 。 后者巨大的引力能够吸积伴星的物质 ， 在这个过程中 ， 吸积盘将释放X射线 。
这类X射线信号之所以能够用于寻找银河系外行星 ， 一个原因在于 ， 它们蕴涵的能量巨大（例如此次信号的亮度就是太阳各波段总和的约100万倍）；更重要的是 ， 在X射线凌星现象中 ， 恒星亮度变化十分明显 。 在正常的凌星现象中 ， 由于整个恒星都在释放辐射 ， 因此途经的行星只能遮挡住一小部分光线 。 相比之下 ， X射线的发射区域集中在狭小的吸积盘 ， 当行星经过时 ， 甚至可以将X射线完全遮住 ， 这时X射线源如同经历了一次“日全食” 。
借助这一策略 ， 研究团队使用当代最先进的X射线望远镜——钱德拉X射线天文望远镜的数据 ， 在距离我们超过2800万光年的涡状星系（Whirlpool Galaxy）中 ， 找到了一个期待已久的信号 。 这组信号属于名为一个M51-ULS-1的双星系统：在持续3个小时的时间内 ， X射线的亮度如下图所示 ， 呈现出U型曲线 ， 这正是凌星现象的特征 。 此外 ， 在中间的20~30分钟内 ， X射线信号完全消失了 。
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X射线亮度的U型曲线（图片来源：研究论文）
当然研究人员也意识到 ， 除了途经的行星 ， 还有其他因素也可能造成类似的亮度变化 。 例如 ， 吸积过程自身受到扰动 ， 从而出现亮度变化；X射线双星自身性质的变化 ， 使得X射线源在一段时间内被关闭；或者 ， 经过X射线源的不是行星 ， 而是一颗体型较小的恒星（例如白矮星） 。
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正常情况及被遮挡时的X射线源（图片来源：研究论文）
不过 ， 根据亮度曲线的变化特征以及其他天文学限制 ， 这些选项被研究者逐一排除 。 因此 ， 最大的可能性浮出水面：有一颗行星（命名为M51-ULS-1b）正在半径数十亿千米的轨道上 ， 围绕这个双星系统运行 。 根据计算 ， M51-ULS-1b的体积略小于土星 。
值得一提的是 ， 这可以说是一项迟到了近8年的发现 。 这个信号早在2012年就被钱德拉望远镜捕捉到 ， 但一度被埋藏在大量数据中 ， 并没有受到格外的关注 。 直到迪斯蒂法诺等人开始关于银河系外行星的研究 ， 其意义才凸显出来 。
不过 ， 现在要说确定发现了银河系外行星还为时尚早 。 目前这篇论文刚刚被上传至预印本网站 ， 尚未通过同行评议从而正式发表 。 如果最终得到证实 ， 这将是我们认识宇宙的重要进展 ， 我们寻找行星的范围也将被大幅拓宽 。 同时 ， 这也为寻找银河系内的类地行星提供了新的思路 。
原始论文：
【行星|银河系外的行星，可能首次被人类找到了！】M51-ULS-1b: The First Candidate for a Planet in an External Galaxy
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