上部 说史 七 寻找系外行星

从20世纪50年代开始,寻找太阳系以外的行星就成为天文学上最令人着迷的一项观测活动。这个活动的意义不言而喻,虽然太阳系有那么多的行星,似乎由此可以推测出在别的恒星系也应当有很多行星才对,而有行星的存在,才有外星生命发生的可能性,但问题是,证据在哪里呢?没有证据,哪怕逻辑上再正确,也没法拿到台面上来说。于是,整个学界乃至所有科普迷、天文迷都迫切地希望天文学家们能早日拿出系外行星存在的证据,谁要是第一个搞定这个事情,那这个人一定会引起轰动。

但我前面说过,以人类当时的天文望远镜技术,想要直接“看”到系外行星是几乎不可能的。你可能感到有点疑惑,真的有那么难吗?平常我们在一些科幻电影或者动画片里面似乎这很容易,满宇宙都是各种形状的天体,就算我们现在不能像星际迷航中一样开着宇宙飞船满宇宙观光,我们拿着望远镜在天上还看不到吗?是的,完全看不到,让我先来给你看张图片:


图1-4 光学望远镜中的天狼星

天狼星是夜空中最亮的几颗恒星之一,很好认。我们在地面上用大口径的光学望远镜对准它,拍摄出来的照片就像上图展示的那样。不过你千万不要认为天狼星实际上的形状就是像图上那样的一个大刺猬,这是由于地球大气扭曲了光线,就好像你从水下看地面上的景物一样;并且在天文摄影的时候需要长时间的曝光,地球又是在自转,因此拍出来的照片就成了这个样子。真实的情况是,你在那个刺猬状的光团上用针刺一下,刺出来的那个小洞差不多就是恒星的实际大小。而图片上箭头所指的那个小亮点你可能认为这不就是一颗行星嘛,看上去还真有点像,并且人们还发现他大概40年绕天狼星转一圈。其实呢,如果做一些简单的计算就会发现,箭头所指的那个天体距离天狼星有好几个光年之遥,而且至少要发出像太阳一样亮的光芒,这只能说明它也是一颗恒星,并且是天狼星的一颗“伴星”,互相围绕着旋转。

如果在天狼星的边上有一颗自己不发光的行星,那么它在望远镜中的亮度必然还要再暗淡1万倍,这实在是太暗了。但真正致命的并不是行星太暗,真正悲摧的是它恰恰又在一颗很亮的恒星边上,它会完全隐没在天狼星散发出的那个刺猬状的光团中。所以,想要找到系外行星,靠直接观测是不太靠谱的,必须得想到一些“奇门招数”,从而间接观测到系外行星。

天文学家们想到了一个非常巧妙的方法,他们把这个方法称为“天体测量法”。要理解这个方法的原理,我必须先要给大家普及一点基本的物理知识。当一颗行星绕着恒星公转的时候,粗略地看上去,就是恒星不动,行星绕着转。但如果我们精确一点计算,就会发现,恒星并不是完全不动的。实际上根据牛顿力学我们可以推算出,恒星和行星其实是围绕着他们的共同质量中心旋转,这个共同的质量中心被称为“质心”。但往往行星的质量相较恒星来说非常小,比如我们地球的质量只有太阳的1/33万,所以地日的质心位于太阳内部。因此,尽管摆动幅度非常之小,但从理论上来说,恒星是在“抖动”的。换句话说,如果我们观测到宇宙中的某颗恒星是在有规律地抖动,那除了有一颗行星在围绕着它旋转以外,找不出第二个合理的解释。


图1-5 行星和恒星围绕共同质心旋转

但这个事情绝对就是一个知易行难的事情,说说是容易的,真想要观察到恒星的抖动,那可真叫一个难。你要知道,我们的地球不但在自转,还在公转,也就是说我们放在地面上的望远镜相对于恒星来说,本身就是在不停地运动中的,在这种情况下我们要观测到恒星的抖动有多难,我打个比方你就知道。儿童乐园里面的那种叫“咖啡杯”的游乐项目玩过吗?你坐在一个大“咖啡杯”里面,而这个咖啡杯又是放在一个大圆盘上,游戏启动后,整个大圆盘就会转动起来,不但大圆盘转动起来,咖啡杯本身也开始自转起来。在这个情况下,你的任务是坐在咖啡杯里面观察远在几千米外的一盏小小的灯泡发出的微弱灯光,并且要能够观测出这个小灯泡在1毫米内的轻微抖动。如果有人向你宣布他成功的观测到了这个小灯泡的抖动,我想恐怕你是不会那么轻易相信的吧。

但是,总会有人第一个吃螃蟹的。到了20世纪50年代晚期,第一个声称找到系外行星的人出现了,他的名字叫彼德·范,来自斯沃斯莫尔学院(一所位于美国费城附近的叫斯沃斯莫尔的小镇上的学校)。彼得声称发现了一颗绕着巴纳德星公转的行星,他说他看到了这颗恒星有规律的抖动,证明这颗恒星边上有一颗行星。但基于我前面阐述过的理由,相信彼得的人并不多,不过也没法证明他是错误的。直到今天,这件事也没个最终结论,大家基本上都认为不太靠谱。

虽然难度很高,但不管怎么说,天体测量法是个了不起的主意,它打开了天文学家们的思路,找到了间接观测行星的方法,并且奠定了以后寻找系外行星的各种方法的基础。这时候离人类真正发现第一颗系外行星还有30多年的时间,这个话题我们要稍稍放一放,因为在这30多年中还有很多激动人心的事情值得一说。

要找到太阳系以外的智慧文明,我们首先就要找到太阳系以外行星存在的证据。这看起来像是一个非常正确的逻辑,但是,真的必须这样吗?这是人类的一种思维定式,想要打破很难。但并不意味着不能打破,有一个叫做戴森的科学家率先打破了这种思维定式,他把人类寻找外星人的视线带向了一个全新的角度。