在【科學有道理】欄目中,我們介紹過科學家尋找系外行星的方法,如徑向速度法、直接觀測法等等,都對恒星和行星提出了較高的要求。因此,根據人類現有的觀測能力,我們發現的系外行星普遍距離都比較近,一般不會超過1000光年。
不過,最近《天文學雜志》上發表的一篇論文,展示了科學家最近在2.5萬光年外發現的系外行星,展示了人類的觀測能力。
這一次發現的系外行星,對于科學家來說,非常有意義。它不僅是目前發現的最遙遠的系外行星之一,而且還是一顆像地球一樣的巖石行星。在人類已經發現的4000多顆系外行星中,只有1/3左右是巖石行星,而且普遍在1000光年以內。因此,這一次的發現,可以說有一定的突破性。
和上面提到的觀測方式不同,這一次科學家發現這顆系外行星,利用的是微引力透鏡法。引力透鏡大家已經很熟悉了,是愛因斯坦廣義相對論引出的結論:由于大質量天體可以導致空間的扭曲,從而使路過的光線發生類似于經過凸透鏡時才會出現的偏折,我們也可以采用反推的方法,通過后方天體光線的偏折推測出前方天體的存在。
雖然在宇宙中,行星和“大質量天體”好像離得比較遠,但是只要我們檢測得足夠精細,也還是可以檢測到它導致的空間扭曲的。由于它導致的扭曲非常微弱,所以叫微引力透鏡法。當它運行到宿主恒星和地球之間的時候(也就是所謂的凌日),會導致宿主恒星發出的光略有一點點偏折,通過我們的觀測設備就可以檢測到,并推測出行星的存在。
對于宇宙中的引力透鏡效應,科學家們一直都在密切關注。光學引力透鏡實驗(Optical Gravitational Lensing Experiment,OGLE)的預警系統和韓國微感望遠鏡網絡(Korea Microlensing Telescope Network,KMTNet)就是其中的代表,這些實驗每年可以檢測到大約3000個引力透鏡事件,其中絕大部分都來自于恒星。不過最近,這兩個實驗同時檢測到了一次名為OGLE-2018-BLG-0677的引力透鏡事件,最終發現了這顆行星。
"Herrera Martin博士首先從一次光輸出的形狀異常發現了這一事件,并進行了幾個月的計算分析,最終得出了結論:這次事件是由一顆恒星以及圍繞它公轉的低質量行星造成的。"坎特伯雷大學的天文學家Michael Albrow說。
科學是嚴謹的,在幾個月的時間里,科學家們首先排除了觀測設備出現誤差的可能性,并且由于兩個獨立的實驗團隊分別發現了這次事件,互相印證,他們最終確定了這顆行星的存在。
接下來,就是對行星數據的觀測和計算。這個過程雖然聽起來很不可思議,讓外行人覺得科學家是在編數據。不過,我們也在【科學有道理】欄目中單獨介紹過,通過兩顆天體之間的相互作用,有些數據還是很容易計算的。
觀測數據表明,這顆系外行星和地球比較類似,也就是所謂的超級地球。它的質量約為地球的3.96倍(這意味著它很可能是巖石行星),是目前科學家利用微引力透鏡法發現的最輕的行星。我們上面說了,微引力透鏡法很大程度上取決于行星的質量,質量越大才能導致宿主恒星的光線偏折越明顯,也就越容易被發現。
有人可能會提出疑問:為何這顆行星質量如此之小,卻還能被我們通過這個方法發現呢?這是因為它是目前發現最遠的系外行星之一,所以雖然恒星光線偏折的角度未必很大,但是由于距離足夠遙遠,所以偏折的距離也比較大。
那么,它距離我們到底有多遠呢?
觀測表明,它和我們的距離大約為2.5萬光年,這意味著我們已經可以跨越銀河系直徑的1/6,發現遙遠的系外行星。有趣的是,這個距離意味著它非常接近,或者有可能就位于銀河系的中心——銀核處,那里是銀河系恒星最密集的地方。
當然,由于距離較遠,很多信息也是無法確定的。比如這顆恒星,雖然質量可以大致推算出來,大約只有太陽的12%。但是,科學家現在也無法確定它的真正身份,它到底是一顆紅矮星還是一顆褐矮星,目前仍然是個謎,雖然目前理論上說褐矮星的質量上限是太陽的7%,但是科學家也沒有定論,而這顆恒星正好處在臨界范圍,所以令人很難判斷。不過,由于人類已經發現過比它更輕的紅矮星,因此從我個人角度來思考,它是紅矮星的可能性較高。
同時,科學家還觀測得到:這顆超級地球的公轉周期大約是617天,和火星的公轉周期差不多。但是,它和宿主恒星的距離其實非常近,只有0.63-0.72個天文單位。這也是由于宿主恒星質量較小導致的,涉及到的原理是高中物理中的圓周運動,我們就不贅述了。而且,由于宿主恒星很微弱,所以這顆巖石行星未必像金星那么炎熱。
關于它的宜居性,目前科學家也并沒有結論。畢竟,它的距離太遠了,觀測的難度非常大。如果是近一點的系外行星,我們可以利用光譜來檢測它表面的成分和溫度,還可以判斷它表面是否有大氣層。不過,2.5萬光年的確對人類現有的觀測能力提出了很高的挑戰,是我們目前力所不能及的。
更加尷尬的是,由于它的公轉周期太長,所以一旦它脫離凌日狀態后,我們需要等上很久才能夠重新觀測到它的微引力透鏡效應,并進行下一次的觀測。算起來,它現在差不多已經離開我們的視線了。嗯,明年見吧……