尘封的宝贝:系外行星的第一个证据-编者按 为认真贯彻落实中央领导同志重要批示指示和8月15日全国、...
梁炳鑫
在加利福尼亚州帕萨迪纳有一幢优雅的西班牙风格的红瓦屋顶办公大楼，这里有三间历史悠久的储藏室，保护了一个多世纪的天文学资料。下楼梯后向右转，有一个地下室，那里是充满奇迹的空间。有数不清的木制抽屉和箱子，从地板堆放到天花板，有望远镜拍到的底片，有太阳黑子素描，还有其他各种记录。有一股淡淡的氨气味弥漫在空气里，让人想起了老电影。
有一间储藏室外边是一扇黑色的小门，上面的门牌写着——此门莫开。
卡內基天文台拥有威尔逊山、帕洛马尔和拉斯坎帕纳斯天文台拍摄的250000多张照片底板，时间跨度超过100年。在威尔逊山的全盛时期，最强大的望远镜有两个，口径分别为152厘米和254厘米，其中254厘米的于1917年11月1日首次启用。它们都无可置疑地改变了人类对于自己在宇宙中的地位的理解。但是，这些技术奇迹超前于它们所处的时代，仅举一例：这些望远镜捕捉到了遥远世界的迹象，但是在这里放了一个世纪仍没有人能够辨认出来。
有关我们这个星系以及整个宇宙的一些重大发现是20世纪早期在威尔逊山上进行的。就在这座山上，埃德温·哈勃意识到银河系不可能是我们的整个宇宙，因为仙女座（或M31）比银河系最遥远的地方还要远。254厘米口径的胡克望远镜于1923年拍摄的一幅巨大的照片成了卡内基仓库外面的巨幅海报。
埃德温·哈勃和米尔顿·赫马森最初在威尔逊山上是看门人，他俩共同努力探索宇宙不断扩大的本质。利用这台传奇的望远镜以及来自亚利桑那州弗拉格斯塔夫洛厄尔天文台的数据，他们认识到星系团彼此远离，而且星系距离越遥远，它们就以更快的速度彼此远离。
但是，威尔逊山上一个拥有100年历史的发现却鲜为人知，直到最近才被发现并受到重视。这就是有关系外行星的第一个证据。
一则侦探故事
故事得从本·朱克曼说起。本·朱克曼是加州大学洛杉矶分校的天文学教授。他应原来在加州大学洛杉矶分校指导过的一位弟子杰·法瑞希之邀。准备在2014年7月举行的一次学术会议上讲一讲太阳系外行星和小型岩石体的构成。法瑞希曾建议朱克曼谈谈白矮星的污染问题。白矮星类似于我们的太阳，但是没有太阳明亮，属于恒星的密集残余物，耗尽了核燃料，甩掉了外层。天文学家用“污染”这个字眼来指重元素侵入了这些恒星的光球层。即其大气外层。问题是，所有这些多出来的元素都不应该出现在那里，白矮星的强大引力应该将它们拉入恒星的内部，应该看不见才对。
被识别出来的第一颗受污染的白矮星根据其发现者阿德里安·范·马南命名为范马南星（在科学文献中一般被称为范马南2号），是由范·马南于1917年根据这个天体在1914年至1917年中位置上的微弱移动而发现。后来，已成为威尔逊山天文台台长的天文学家瓦尔特·悉尼·亚当斯利用威尔逊山152厘米口径望远镜的小型玻璃底板捕捉到了范马南星的光谱，将其解释为F型恒星，大概是根据钙和其他重元素吸收特征的存在及其强度以及温度稍高于我们的太阳。1919年，范·马南称它为“非常微弱的星球”。
今天我们知道，距离我们大约14光年的范马南星是最接近地球的白矮星，而且不是联星系统的一部分。
法瑞希说：“这颗星是一个偶像，是此类恒星中的第一颗，的确可算是原型的原型。”
在准备讲话的时候，朱克曼产生了神奇的体验，后来他将其称为“真正的灵感”。范马南星，1917年研究它的天文学家不知其为何物，几十年后那些思索着它的人也不知道它是什么天体。它一定是系外行星存在的第一个观测证据。
这与系外行星有什么关系？
恒星最外层的重元素不可能在恒星内产生，因为它们会因白矮星的强大引力场而立即下沉。20世纪，随着发现了更多在其光球层中含有大量元素的白矮星，科学家开始相信这些奇特的物质必定来自星际介质。也就是说，来自漂浮于恒星之间的元素。
但是，在拍摄到范马南光谱之后70年，1987年，朱克曼及其同事埃里克·贝克林报道称白矮星周围的红外光超多，认为这可能来自一颗微弱的“败星”，即褐矮星或棕矮星。1990年，人们将其解释为环绕白矮星的一个炎热多尘的盘。到了21世纪初，出现了一种新的污染白矮星理论：外行星可以将小石块推向恒星，恒星的强大引力将它们粉碎，粉碎后的尘埃因为含有该天体的重元素，因此会落到恒星上。法瑞希说：“底线是：如果是小行星或彗星，不只是改变方位，而且还需要推力。到目前为止，最有可能的推动力就是行星。”
美国航空航天局的斯皮策空间望远镜在扩展研究被高温多尘盘环绕的受污染白矮星方面一直发挥着重要作用。自2004年发射以来，斯皮策空间望远镜已确认了其中约40颗特别的恒星。另一架空间望远镜，即美国航空航天局的宽视场红外测量探测器，也发现了一小部分，将总数增加到今天已知的近50个。由于这些天体非常微弱，用红外光来识别就显得至关重要。
法瑞希说：“我们无法使用地面上的望远镜来精确测量来自这些物体的红外光的量，而斯皮策空间望远镜让我们大开眼界。”
为了支持受污染白矮星的新“尘盘”说，朱克曼及其同事于2007年发表了有关白矮星大气的观测资料，其中有17种元素，这些元素与地月系统中的情况类似。（加州大学洛杉矶分校已故教授迈克尔·朱拉为研究受污染白矮星做出了重要贡献，他是该团队的一分子。）这进一步证明至少有一个小型岩石体，甚至是一颗行星，已经被一颗白矮星的引力撕裂。科学家现在普遍认为，一颗光谱中有重元素的白矮星可能至少有一个碎石带，这是剧烈碰撞而未形成行星的残余天体，而且很可能至少有一顆大行星。
所以。碰巧漂浮在星际介质中的重元素不能解释观测结果。朱克曼说：“在范·马南的发现过了大约90年后，天文学家说，‘哇，这种星际吸积模型不可能是正确的。”
追踪光谱
受朱克曼的启发，法瑞希迷恋上了这个念头：有人于1917年拍摄到了有关系外行星的首个证据，而且这个观察记录一定还在。他说：“我现在瞄上了这个问题，我决不会放过。”
法瑞希求助于卡内基天文台，因为卡内基天文台拥有威尔逊山望远镜并且仍保存着这些望远镜拍到的数据档案。卡内基天文台台长约翰·穆尔凯依让志愿者丹·科恩去查找该资料。科恩把档案翻了个遍，两天之后，穆尔凯依给法瑞希发送了该光谱的一张图像。
法瑞希称：“坦率地说，我不能说自己感到震惊，但是这简直是一个惊喜。我看到了我想找的证据，连肉眼都能看得见，我不由自主地跳了起来。”
法瑞希期望的范马南恒星光谱就在一个小小的档案盒里，上面有手写的日期“1917年10月24日”和一个现代的黄色标签：“可以算是一颗系外行星的第一次记录。”
卡内基历史委员会主席、天文学家辛西娅·亨特将玻璃底板从封袋中取出，放在一台已经打开的观图仪上。频谱本身只有0.4厘米多一点。
乍看起来，这个底片似乎并不起眼，但法瑞希看到两个明显的“尖牙”，表示这是光谱中下跌的深谷。在他看来，这就是确凿的证据：来自同一个钙离子的两条吸收线，这意味着白矮星光球层中有重元素存在，表明它可能至少有一颗外行星。2016年，他在《新天文学评论》上发文讨论了这个问题。
系外行星及碎石盘
科学家一直认为，巨行星的引力可能会阻止空间的碎片带，特别是在年轻的行星系统中。最近的一项研究表明，具有尘埃和碎片的年轻恒星比没有尘盘的恒星更有可能在远离母星的地方拥有绕行的巨行星。
白矮星不是年轻的恒星；相反，当一颗中低质量的恒星已经燃尽其内部所有的燃料时，它就形成了。但原理是一样的：系外巨行星的引力可以将小型岩石体引入白矮星。
太阳将在大约50亿年后变成一个红色巨星，它会膨胀很多，甚至吃掉地球，然后甩掉外层，变成一颗白矮星。到那时，木星的巨大引力可能会对小行星带造成更大的破坏性，将物体抛向此时更加昏暗的太阳。范马南星的重元素就属于这种情况。
到目前为止，斯皮策空间望远镜还没有在范马南星的周围发现任何行星。事实上，迄今仍然没有有系外行星环绕白矮星运行的确证，尽管科学家相信，有一颗白矮星确实拥有一颗巨行星。包括朱克曼在内的科学家利用夏威夷的凯克天文台，发现一颗白矮星正在吞噬一个类似柯伊伯带的天体。
科学家仍在探索被污染的白矮星，并寻找它们可能拥有的系外行星。我们知道的所有白矮星中约有30%被污染，但它们的碎片更难发现。汝拉提出，随着大量小行星进入并与碎石碰撞，尘埃可能会转化为气体，而气体的红外信号没有尘埃的红外信号那么容易被检测到。
法瑞希对他在威尔逊山档案馆的侦探工作感到非常激动。2016年，他在一篇关于被污染白矮星的评论中描述了这一历史发现，认为白矮星是“外行星系统研究中引人注目的目标”。
谁晓得天文台伟大的档案中还有哪些被尘封或遗忘的宝藏正等待着我们去发现，那些观天的记录蕴藏着丰富的宇宙信息。当然，这些线索还得靠那些富有好奇心并且能够提出正确问题的人才能找到。
法瑞希说：“这是个人与数据的互动，可以真正激励我们倾力探索我们提出的问题。”
