此次發現的行星候選者，正是位于渦狀星系中。（圖片來源：ASA, ESA, S. Beckwith and the Hubble Heritage Team）
在2800萬光年之外，我們首次找到了銀河系外行星？一項最新研究有可能讓我們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——已知的最后一顆太陽系內行星——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，人類的視野沖出了太陽系。在2800光年外的處女座中，射電天文學家亞歷山大·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）和戴爾·弗萊爾（Dale Frail）發現脈沖星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半世紀；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。近日公開于預印本平臺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2800萬光年外的渦狀星系，發現了一顆略小于土星的行星。
銀河系內的搜尋
在1992年首次確認系外行星的存在之后，天文學家搜索系外行星的步伐從未放緩。截至目前，在3213個恒星系統中，人們已經確認發現了4348顆系外行星，此外還有超過5000顆待確認。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：當一顆行星掠過恒星表面，由于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變得黯淡了。當然，原理看似簡單，但實際觀測并不容易。由于恒星的體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，恒星的亮度只會下降約萬分之一。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顆系外行星。而在其退役之后，凌星系外行星勘測衛星（TESS）成為繼承者，在更廣闊的視野、更遙遠的距離繼續尋找系外行星。
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行，行星的引力會引起恒星遠離或靠近我們的速度發生變化。根據多普勒效應，我們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（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系外行星，二人也因此獲得去年的諾貝爾物理學獎。
不過，目前找到的這近萬顆行星（及候選天體）無一例外，都位于銀河系中。當這些在銀河系中為我們取得豐碩成果的手段應用于銀河系外時，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，放在更遙遠的其他星系中，就更加難以觀測。
X射線凌星法
在這項由哈佛史密森尼天體物理中心的天文學家R·迪斯蒂法諾（R. Di Stefano）領導的研究中，他們考慮的是另一類信號。
這項觀測的原理其實與開普勒望遠鏡相似，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。這類系統由一顆普通恒星和一個大質量恒星的遺?。ɡ绾诙椿蛑凶有牵嫵?。后者巨大的引力能夠吸積伴星的物質，在這個過程中，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，一個原因在于，它們蘊涵的能量巨大（例如此次信號的亮度就是太陽各波段總和的約100萬倍）；更重要的是，在X射線凌星現象中，恒星亮度變化十分明顯。在正常的凌星現象中，由于整個恒星都在釋放輻射，因此途經的行星只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射線源如同經歷了一次“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，在距離我們超過2800萬光年的渦狀星系（Whirlpool Galaxy）中，找到了一個期待已久的信號。這組信號屬于名為一個M51-ULS-1的雙星系統：在持續3個小時的時間內，X射線的亮度如下圖所示，呈現出U型曲線，這正是凌星現象的特征。此外，在中間的20~30分鐘內，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被關閉；或者，經過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制，這些選項被研究者逐一排除。因此，最大的可能性浮出水面：有一顆行星（命名為M51-ULS-1b）正在半徑數十億千米的軌道上，圍繞這個雙星系統運行。根據計算，M51-ULS-1b的體積略小于土星。
值得一提的是，這可以說是一項遲到了近8年的發現。這個信號早在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，并沒有受到格外的關注。直到迪斯蒂法諾等人開始關于銀河系外行星的研究，其意義才凸顯出來。
不過，現在要說確定發現了銀河系外行星還為時尚早。目前這篇論文剛剛被上傳至預印本網站，尚未通過同行評議從而正式發表。如果最終得到證實，這將是我們認識宇宙的重要進展，我們尋找行星的范圍也將被大幅拓寬。同時，這也為尋找銀河系內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
