張唯誠

螺旋狀的渦狀星系（ 左） 可能是人類在銀河系外發(fā)現(xiàn)的第一顆行星的家園

20世紀90年代，天文學(xué)家們在太陽系之外首次發(fā)現(xiàn)了“飛馬座51b”，這是一顆繞著和太陽相似的恒星運行的行星，天文學(xué)家們稱之為“系外行星”。這一發(fā)現(xiàn)開啟了人類尋找系外行星的探索之旅。截至目前，人類已在太陽系之外發(fā)現(xiàn)了4800余顆系外行星，它們大小不一，形態(tài)各異，所呈現(xiàn)的萬千姿態(tài)和神秘氣象大大拓展了人類對宇宙的認識。

然而，系外行星雖然存在于太陽系之外，卻沒有超出銀河系的范疇。因為站在我們自己的星球上放眼望去，銀河系太大了，即便使用目前最先進的技術(shù)，人類發(fā)現(xiàn)的最遙遠的系外行星也依然存在于銀河系之內(nèi)。

天文學(xué)家們推測，銀河系之外應(yīng)該同樣存在著行星，它們應(yīng)該也圍繞著銀河系之外的恒星運行。這樣的想法和當年人們尋找系外行星的想法十分相似。當時許多天文學(xué)家都相信系外行星是存在的，太陽系中的行星不會是宇宙中的僅存。正是這種對遙遠世界的猜想和追問，觸發(fā)了人類對系外行星世界的探索。

那么，銀河系之外究竟是否存在著行星呢？答案很有可能就隱藏在一個名為“渦狀星系”的河外星系之中。這個星系距離地球約2800萬光年。2021年10月25日，天文學(xué)家們在《自然天文學(xué)》上發(fā)表文章認為，一個遙遠的行星世界可能正在圍繞著渦狀星系中的兩顆恒星運行，天文學(xué)將迎來一個發(fā)現(xiàn)河外行星的新時代。

其實，科學(xué)家們很早就有尋找河外行星的想法，然而他們也明白，在銀河系之外的其他星系中尋找行星實在是太難了。因為在望遠鏡拍攝的圖像中，遙遠星系中的恒星會變得非常模糊，以至于無法一顆顆地分開它們。在這種情況下，尋找存在于這些恒星周圍的行星自然就難上加難了。

然而，突破口終于找到了。2018年，美國哈佛大學(xué)史密森天體物理中心的天體物理學(xué)家羅贊·迪·斯蒂法諾和她的同事尼婭·艾瑪拉想出了一個克服這一困難的方法。兩位科學(xué)家將目光投向了一種名為“X射線雙星”的恒星系統(tǒng)。

X射線雙星是一種發(fā)射強烈X射線輻射的雙星系統(tǒng)，這種雙星多由一顆大質(zhì)量恒星和一顆致密星（如中子星和黑洞）組成。致密星密度非常大，因此具有很強的引力，于是鄰近恒星中的物質(zhì)就被致密星拉了出來并落入致密星，這個過程被稱為“吸積”。吸積使物質(zhì)達到極高的溫度并產(chǎn)生強烈的X射線輻射，這種輻射甚至在銀河系之外的其他恒星群中也顯得十分突出。因此，X射線雙星能相對容易地被天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)。

一顆大質(zhì)量恒星發(fā)生了爆炸

兩位科學(xué)家設(shè)想，如果一顆行星圍繞X射線雙星運行，那么站在地球上觀測，它會在這個恒星系統(tǒng)的前面經(jīng)過，于是在很短的一段時間內(nèi)，行星會阻擋來自該恒星系統(tǒng)的X射線，有關(guān)X射線的信號會缺失一段時間，這些丟失的信號就能表明這顆行星的存在。這種方法其實與搜尋系外行星的“凌星法”類似。凌星法的工作原理，也是捕捉行星經(jīng)過恒星表面時恒星光度的微弱變化，這需要望遠鏡對光線非常敏感。不同的是，在利用X射線源搜尋河外行星的時候，天文學(xué)家們需要使用觀測X射線源的X射線望遠鏡來完成這項工作。

科學(xué)家們很快就想到了錢德拉X射線太空望遠鏡，這架望遠鏡自1993年升空以來，觀測了很多宇宙X射線源，已經(jīng)積累了不少數(shù)據(jù)。研究人員察看了其中的部分數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是這架望遠鏡在觀測渦狀星系、風(fēng)車星系和草帽星系的過程中積累的。科學(xué)家們要尋找的就是這些星系中的X射線雙星的短暫變暗現(xiàn)象。

研究果然有了進展，他們發(fā)現(xiàn)了一個明顯的類行星信號。這個信號出現(xiàn)于2012年9月20日，這一天，有一個物體阻擋了渦狀星系中一個名為“M51-ULS-1”的X射線雙星系統(tǒng)的X射線輻射，這個過程持續(xù)了約3個小時。對此，羅贊·迪·斯蒂法諾和她的團隊成員都非常興奮。

不過，這種X射線變暗現(xiàn)象的原因，也存在其他可能性。例如，假若一團氣體云恰巧從這個恒星系統(tǒng)前面經(jīng)過，這種X射線變暗現(xiàn)象也會發(fā)生。又比如，也許這個恒星系統(tǒng)釋放的X射線本身發(fā)生了變化，它的X射線在一段時間內(nèi)減弱了。科學(xué)家們考慮了這類可能，但都被排除了。他們認為，最難以排除的一種可能性就是一顆行星阻擋住了這些光線。他們將這顆尚未確定的可能存在的行星命名為“M51-ULS-1b”。

目前，研究人員的判斷是，M51-ULS-1b的規(guī)模大約等同于土星，它正圍繞著“M51-ULS-1”X射線雙星運行，它與這個恒星系統(tǒng)的距離是地球和太陽距離的幾十倍。對此，羅贊·迪·斯蒂法諾評價道：“我們的確有了一些發(fā)現(xiàn)，它給我們的感覺真的非常美妙?！?/p>

在河外星系中找到這顆行星需要非常巧合的時機。首先，它的軌道需要和地球上的觀測者完美地對齊，只有這樣，地球上的觀測者才能發(fā)現(xiàn)它將恒星遮擋住的情景。其次，它必須在錢德拉X射線太空望遠鏡進行觀測的時候，正好從X射線雙星前面經(jīng)過，這一巧合也非常難得。此外，其他的可能性是否完全能夠排除還是值得商榷的。

對于這種質(zhì)疑，科學(xué)家們并未急于辯解，他們承認發(fā)現(xiàn)M51-ULS-1b也許的確需要一些運氣，但發(fā)現(xiàn)河外行星則應(yīng)該是大勢所趨，在銀河系之外的浩瀚宇宙中一定還有許多行星有待發(fā)現(xiàn)。

在宇宙中尋找行星是天文學(xué)的一個重要領(lǐng)域。在銀河系內(nèi)，行星的存在是普遍的現(xiàn)象，那么在銀河系之外的其他星系中，行星又會是一種怎樣的存在呢？從這個視角上說，尋找河外行星就具有了特別重要的意義。

那么，M51-ULS-1b是否真是一顆河外行星？要證明這一點其實也不難，但需要時間。假若它真是一顆圍繞X射線雙星運行的行星，它一定會再次從它的宿主恒星面前經(jīng)過，不過人們再一次見到它要等待很長的時間。

M51-ULS-1b，第一顆銀河系外行星