發現超級土星光環

係外行星探索（上）發現超級土星光環

美國亞利桑那州的圖森市一直被稱為天文世界的首都。圖森地區一年中有350天是晴天，幹燥的空氣和極低的光汙染使得它有著最為清澈的夜空，在其周圍的山頂上有多達三十多台天文望遠鏡，吸引了全世界一流的天文學家到它這裏工作。座落在圖森市的亞利桑那大學可能算不上美國的“985”大學，但學校充分發揮地域優勢，竟然讓該校的天文學和光學專業擠進了全美排名前五位，美國大學辦校的個性化和多樣化有此可見一斑。

圖1裏左下的Steward天文台就在亞利桑那大學校園中，它是周圍天文台觀測網絡的中樞[1]。圖1裏右下是一家的酒吧，它以門牌號1702為店名，在當地頗有些名氣，從天文台步行過去也就五分鍾的距離，因而店裏常常坐滿了喝著啤酒、吃著比薩、“談天說地”的天文學家們。2011年兩個天文學家Eric Mamajek 和 Matthew Kenworthy 在這家比薩店的一段對話導致了係外行星研究的一個重大發現。

P1)圖森（Tucson）山區中美麗的星空，左下為Steward天文台，右下為1702酒吧。

 

當時Mamajek教授正在研究銀河係人馬星座中離地球420光年的恒星J1407，這是一顆壽命僅隻1600萬年的非常年輕的恒星，如果說我們的太陽已是人到中年，那麽這顆恒星大概還剛剛滿月。對這些遙遠恒星研究的主要手段是分析它們的光度曲線。光度曲線是天文學上表示天體相對於時間的亮度變化圖形，是時間的函數，通常會顯示出一種特定的頻率間隔或是帶狀。研究光度曲線，並配合其他的觀測，能獲得該天體的重要的訊息。

恒星J1407在2007的一張光度曲線使得Mamajek教授百思不得其解，他把這張光度曲線釘在了辦公室的牆上，把它當作西施情人一樣天天看著它發呆，正是到了“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴。”的境地。終於有一天他把心中的鬱悶向他的同事傾吐，談話的主題就是那張困擾他多時的光度曲線。

讓我們也來看一看J1407在2007年的光度曲線。圖2分為上下兩部份，下麵是上麵中間段的放大。圖中的曲線的短期間隔是由於白天或雨天導致的。但是一段長達56天的光度曲線的起伏隻可能有一種介釋：J1407被一個直徑約為1億8千萬公裏的天體所遮擋[2]。仔細分析該光度曲線，恒星J1407的光芒從亮轉暗，再由暗轉亮的這兩段過程基本是對稱的，由此可推斷該遮擋物是園形或橢圓形天體。進一步分析亮度下降與上升過程的細節，可以看到間隔為20分鍾的亮度快速變化，因此可認為該遮擋的天體中有環狀的結構。

P2)恒星J1407在2007年的光度曲線

按照這樣的推理，這個遮擋恒星J1407的天體很可能就是圍繞它旋轉的一個帶有超大光環的行星！想到這一點研究人員激動不已，他們也許也是胡適先生的粉絲吧，“大膽假設小心求證”是他們工作的座右銘。今天的“小心求證”一般都依靠計算機，這方麵胡適可是外行了。研究人員建立了J1407和它帶有光環的行星J1407b的星係模型，把光環的直徑，光環的結構和光環平麵與旋轉軌道平麵的夾角等作為參數輸入計算機模似，得到的結果與觀察到的光度曲線吻合，詳見圖3。

P3)

通過J1407的光度曲線和計算機模擬基本上可以認定發現了一個帶有至少1百個光環的係外行星J1407b，其光環的直徑至少是土星光環的200倍。如果把J1407b替換我們太陽係中的土星，那麽我們地球人真有福了，我們的天空中將出現碩大亮麗的光環，它比中秋的月亮還要更大更明亮。這對我們地球的生態係統有何影響我不知道，但有一點我可以百分之百的肯定，唐詩中肯定會少去許多吟月的華章，而增加出許多描述光環的妙文。也許李白會寫出這樣的詩歌：“玉環出天山，蒼茫雲海間。長風幾萬裏，吹度玉門關。....”

P4)J1407b替換土星後在地球上看到的效果圖

J1407b是一個年輕的係外行星，它正處於行星生長演化的初期。那些光環主要是環繞行星J1407b的冰塊碎片，這些碎片由於相互間的引力作用正在聚合形成衛星。而其中外圈有相當寬的間隙，估計該處已經形成J1407b的月亮，其大小可能接近我們太陽係中火星的大小，比我們地球月亮的體積大一個數量級，據計算該月亮大約毎兩年繞著J1407b轉一圈。

假設你穿越太空飛近J1407星係，在恒星耀眼的光芒下可以看到發著暗淡紅光的行星J1407b，從上方漸漸靠近這顆行星，明亮的光環像波浪一樣向深空散布開來，像吹皺了的一池春水。再靠近些，可以看到光環中間全是環繞行星快速旋轉的碎片，光環與光環的空隙中是一些繞J1407b旋轉的衛星，它們就像地球的月亮一樣，其中之一竟有火星般大小。

如果這顆月亮稍許偏離光環平麵，那麽站在它的上麵看出去，光環的飛弧前後包裹著你向遠方伸展。如果這顆月亮有大氣層（非常可能），那麽光環中的大量的碎片將不斷地闖入，然後與大氣層高速摩擦而燒毀，變成天空中經久不息的燦爛煙花，那是情侶們觀看流星雨的最佳地方。朝遠處望去行星J1407b就像鑲嵌在一圈圈銀環中的一顆閃亮的紅寶石，點綴著漆黑的深空。

P4)圖左為係外行星J1407b，圖右為J1407b的衛星近圖。

當然科學家對J1407星係的關注並非為了去拍攝好萊塢大片，也不是為情侶們去尋找見證浪漫的地方。由於J1407是顆年齡僅為1千6百萬年的非常年輕的星係，它的行星和行星的衛星的變遷過程就是我們太陽係形成曆史的再現，對它們的觀察研究可以讓我們更好地了解太陽係的過去、現在和將來。“夫以銅為鏡，可以正衣冠；以古為鏡，可以知興替；以人為鏡，可以明得失。”以係外行星為鏡，可以知地球演變。更好地認識我們美麗的家園-地球是一切深空研究的立足點和最後的歸宿。

J1407b係外行星的大質量衛星的存在給係外行星的研究帶來了額外的收獲，到目前為止，NASA的開普勒項目雖然發現了上千顆係外行星，但仍末有係外衛星的報導。根據我們太陽係的經驗，大質量衛星可能比行星更適合生命的生存，我們的銀河係應該有億萬個係外衛星，熟悉和研究它們是尋找外星人的重要一環。

對J1407星係的超級光環的確認還需要更多的數據支持。J1407星係在南半球星空是顆明亮的的星星，可以輕易地被小型天體望遠鏡觀察和跟蹤，它的亮度變化正在被24小時日夜觀察紀錄下來。當光環遮擋時，可以使用大型天文台的光譜儀分析化學成份的變化以確定光環的組織結構。同時哈佛大學Smithsonian天體物理中心保存有巨量的天體光度曲線照片，已經有計劃將這些照片掃描後輸入數據庫，估計屆時可得到有關J1407星係從1901年到1984年的大量數據，它們或許可以提供有關J1407星係更多的知識。

有必要指出對係外行星的觀察研究都是非直接式的，當然對J1407b也不例外，我們根本不可能取得一張J1407b帶光環的靚照，至少近期內根本不可能。係外行星與其母星的間距相比它們與地球的距離實在太小，而母星（即恒星）的光芒遠遠超越它周圍行星極為暗淡的反光強度，光亮強度差別一般都在十的十次方以上，這就是直接天文觀察的最大障礙所在。故此天文學家一般都以間接方法尋找係外行星，現時大致有六種成功的間接方法[3]。

但是所有這些間接方法都給人一種隔靴搔癢的感覺，科學家們找尋係外行星的直接證據的努力從也沒有停止過，一種新的對係外行星直接觀察的技術已經催生在萌芽中。敬請關注不久將刊發的本文姐妹篇：【探盡係外行星的新技術】

 

[1]Steward Observatory manages three different observing locations in southern Arizona: Mount Graham International Observatory (MGIO), Mount Lemmon Observatory, and Catalina Station on Mount Bigelow. It also operates telescopes at two additional important observatories: Kitt Peak National Observatory (KPNO) and Fred Lawrence Whipple Observatory on Mount Hopkins.

[2]Typically, when an exoplanet crosses in front of its host star, the effect is tiny. A Jupiter-like planet, for example, might block 1 percent of a sun-like star's light, producing an effect comparable to a mosquito flying in front of a flashlight a few thousand kilometers away from the observer. But in this case, the rings block as much as 95 percent of the star's light

[3]係外行星探測方法：http://baike.baidu.com/view/558597.htm#3

[4]本文照片均來自網上。有關J1407b的圖片均由計算機產生。

[小二哥李白]

哈哈，玉環，虧你想得出來。。。