系外行星探索（上）发现超级土星光环

美国亚利桑那州的图森市一直被称为天文世界的首都。图森地区一年中有350天是晴天，干燥的空气和极低的光污染使得它有着最为清澈的夜空，在其周围的山顶上有多达三十多台天文望远镜，吸引了全世界一流的天文学家到它这里工作。座落在图森市的亚利桑那大学可能算不上美国的“985”大学，但学校充分发挥地域优势，竟然让该校的天文学和光学专业挤进了全美排名前五位，美国大学办校的个性化和多样化有此可见一斑。

图1里左下的Steward天文台就在亚利桑那大学校园中，它是周围天文台观测网络的中枢[1]。图1里右下是一家的酒吧，它以门牌号1702为店名，在当地颇有些名气，从天文台步行过去也就五分钟的距离，因而店里常常坐满了喝着啤酒、吃着比萨、“谈天说地”的天文学家们。2011年两个天文学家Eric Mamajek 和 Matthew Kenworthy 在这家比萨店的一段对话导致了系外行星研究的一个重大发现。

P1)图森（Tucson）山区中美丽的星空，左下为Steward天文台，右下为1702酒吧。

当时Mamajek教授正在研究银河系人马星座中离地球420光年的恒星J1407，这是一颗寿命仅只1600万年的非常年轻的恒星，如果说我们的太阳已是人到中年，那么这颗恒星大概还刚刚满月。对这些遥远恒星研究的主要手段是分析它们的光度曲线。光度曲线是天文学上表示天体相对于时间的亮度变化图形，是时间的函数，通常会显示出一种特定的频率间隔或是带状。研究光度曲线，并配合其他的观测，能获得该天体的重要的讯息。

恒星J1407在2007的一张光度曲线使得Mamajek教授百思不得其解，他把这张光度曲线钉在了办公室的墙上，把它当作西施情人一样天天看着它发呆，正是到了“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”的境地。终于有一天他把心中的郁闷向他的同事倾吐，谈话的主题就是那张困扰他多时的光度曲线。

让我们也来看一看J1407在2007年的光度曲线。图2分为上下两部份，下面是上面中间段的放大。图中的曲线的短期间隔是由于白天或雨天导致的。但是一段长达56天的光度曲线的起伏只可能有一种介释：J1407被一个直径约为1亿8千万公里的天体所遮挡[2]。仔细分析该光度曲线，恒星J1407的光芒从亮转暗，再由暗转亮的这两段过程基本是对称的，由此可推断该遮挡物是园形或橢圓形天体。进一步分析亮度下降与上升过程的细节，可以看到间隔为20分钟的亮度快速变化，因此可认为该遮挡的天体中有环状的结构。

P2)恒星J1407在2007年的光度曲线

按照这样的推理，这个遮挡恒星J1407的天体很可能就是围绕它旋转的一个带有超大光环的行星！想到这一点研究人员激动不已，他们也许也是胡适先生的粉丝吧，“大胆假设小心求证”是他们工作的座右铭。今天的“小心求证”一般都依靠计算机，这方面胡适可是外行了。研究人员建立了J1407和它带有光环的行星J1407b的星系模型，把光环的直径，光环的结构和光环平面与旋转轨道平面的夹角等作为参数输入计算机模似，得到的结果与观察到的光度曲线吻合，详见图3。

P3)

通过J1407的光度曲线和计算机模拟基本上可以认定发现了一个带有至少1百个光环的系外行星J1407b，其光环的直径至少是土星光环的200倍。如果把J1407b替換我们太阳系中的土星，那么我们地球人真有福了，我们的天空中将出现硕大亮丽的光环，它比中秋的月亮还要更大更明亮。这对我们地球的生态系统有何影响我不知道，但有一点我可以百分之百的肯定，唐诗中肯定会少去许多吟月的华章，而增加出许多描述光环的妙文。也许李白会写出这样的诗歌：“玉环出天山，苍茫云海间。长风几万里，吹度玉门关。....”

P4)J1407b替换土星后在地球上看到的效果图

J1407b是一个年轻的系外行星，它正处于行星生长演化的初期。那些光环主要是环绕行星J1407b的冰块碎片，这些碎片由于相互间的引力作用正在聚合形成卫星。而其中外圈有相当宽的间隙，估计该处已经形成J1407b的月亮，其大小可能接近我们太阳系中火星的大小，比我们地球月亮的体积大一个数量级，据计算该月亮大约毎两年绕着J1407b转一圈。

假设你穿越太空飞近J1407星系，在恒星耀眼的光芒下可以看到发着暗淡红光的行星J1407b，从上方渐渐靠近这颗行星，明亮的光环像波浪一样向深空散布开来，像吹皺了的一池春水。再靠近些，可以看到光环中间全是环绕行星快速旋转的碎片，光环与光环的空隙中是一些绕J1407b旋转的卫星，它们就像地球的月亮一样，其中之一竟有火星般大小。

如果这颗月亮稍许偏离光环平面，那么站在它的上面看出去，光环的飞弧前后包裹着你向远方伸展。如果这颗月亮有大气层（非常可能），那么光环中的大量的碎片将不断地闯入，然后与大气层高速摩擦而燒毁，变成天空中经久不息的灿烂煙花，那是情侣们观看流星雨的最佳地方。朝远处望去行星J1407b就像镶嵌在一圈圈银环中的一颗闪亮的红宝石，点缀着漆黑的深空。

P4)图左为系外行星J1407b，图右为J1407b的卫星近图。

当然科学家对J1407星系的关注并非为了去拍摄好莱坞大片，也不是为情侣们去寻找见证浪漫的地方。由于J1407是颗年龄仅为1千6百万年的非常年轻的星系，它的行星和行星的卫星的变迁过程就是我们太阳系形成历史的再现，对它们的观察研究可以让我们更好地了解太阳系的过去、现在和将来。“夫以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。”以系外行星为镜，可以知地球演变。更好地认识我们美丽的家园-地球是一切深空研究的立足点和最后的归宿。

J1407b系外行星的大质量卫星的存在给系外行星的研究带来了额外的收获，到目前为止，NASA的开普勒项目虽然发现了上千颗系外行星，但仍末有系外卫星的报导。根据我们太阳系的经验，大质量卫星可能比行星更适合生命的生存，我们的银河系应该有亿万个系外卫星，熟悉和研究它们是寻找外星人的重要一环。

对J1407星系的超级光环的确认还需要更多的数据支持。J1407星系在南半球星空是颗明亮的的星星，可以轻易地被小型天体望远镜观察和跟踪，它的亮度变化正在被24小时日夜观察纪录下来。当光环遮挡时，可以使用大型天文台的光谱仪分析化学成份的变化以确定光环的组织结构。同时哈佛大学Smithsonian天体物理中心保存有巨量的天体光度曲线照片，已经有计划将这些照片扫描后输入数据库，估计届时可得到有关J1407星系从1901年到1984年的大量数据，它们或许可以提供有关J1407星系更多的知识。

有必要指出对系外行星的观察研究都是非直接式的，当然对J1407b也不例外，我们根本不可能取得一张J1407b带光环的靓照，至少近期内根本不可能。系外行星与其母星的间距相比它们与地球的距离实在太小，而母星（即恒星）的光芒远远超越它周围行星极为暗淡的反光强度，光亮强度差别一般都在十的十次方以上，这就是直接天文观察的最大障碍所在。故此天文学家一般都以间接方法寻找系外行星，现时大致有六种成功的间接方法[3]。

但是所有这些间接方法都给人一种隔靴搔痒的感觉，科学家们找寻系外行星的直接证据的努力从也没有停止过，一种新的对系外行星直接观察的技术已经催生在萌芽中。敬请关注不久将刊发的本文姐妹篇：【探尽系外行星的新技术】

[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]系外行星探测方法：http://baike.baidu.com/view/558597.htm#3

[4]本文照片均来自网上。有关J1407b的图片均由计算机产生。