宇宙和生命-第835部分

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　　一概念源自一位奥地利科学家多普勒（Christian　Johann　Doppler）

　　的研究成果。多普勒在1842年预言：如果声源朝向一位听者前来

　　或远离听者而去，声音的音调（或者说频率）就会比声源静止时

　　高些或低些。这一效应在日常生活中的实例是一辆救护车或警车

　　驶近我们或驶离我们时，其笛声的音调变化（驶近我们时，音调

　　变高声音变尖；远去时则正好相反，音调变低，声音变粗）。多

　　普勒效应也适用于光波，因此，发光体的颜色以与此相似的某种

　　方式变化——如果一颗遥远恒星正在远离我们而去，那么其光波

　　波长就会变长（频率变低）。

　　20世纪初，科学家发现宇宙在膨胀，因此，宇宙中的每一个

　　点看上去都在与另一个点互相远离。由于这个缘故，根据多普勒

　　效应，远离我们而去的星系发出的光抵达地球时，它们的波长比

　　这些星系静止不动时要长。这种偏移称为“红移”，因为该星系

　　的光抵达地球时都朝着光谱的红端（或波长较长的一端）移动。

　　如果星系朝向我们运动的话，则会相应地发生“蓝移”（朝着波

　　长较短的一端移动）。

　　那么，这与环绕这些恒星转动的行星又有什么关系呢？答案

　　就在于从一些恒星那儿观测到的频率偏移的详细情况。梅厄和奎

　　洛兹注意到有几颗恒星的光的频率偏移均匀地起伏变化。换言之，

　　有几颗恒星的红移和蓝移有微小的波动，这就意味着有什么东西

　　造成了这颗恒星的“晃动”。

　　比较恰当的比拟是奥运会上掷链球的运动员。链球运动员手

　　拉住与球相接的绳子，控制链球的运动轨迹。尽管链球的重量比

　　这位运动员轻得多，链球还是会有拉力作用于他（尽管很微小），

　　并致使投手“晃动”。如果有人感兴趣的话，可以用精密仪器设

　　备测出这个作用力。

　　环绕一颗恒星转动的行星对恒星的拉力远比上述例子中所描

　　述的链球对投手的影响小得多。即使是环绕一颗恒星转动的褐矮

　　星的质量也比恒星的平均质量小得多，所以这种作用力（特别是

　　行星的作用力）是极其微小的。使用灵敏度很高的设备刚好勉强

　　能观测出来。尽管这种效应很微弱，若与其他技术相结合，仍可

　　由此获得大量有关恒星及其行星的信息。最有意义的是，这项技

　　术的发明人沃尔克发现恒星的频率变化（晃动的程度）与行星的

　　轨道周期直接有关。运用这种方法，天文学家不久就描绘出在我

　　们太阳系外找到的第一颗行星的图景，以及它相对于该恒星的确

　　切位置。

　　图　11　　红移和蓝移如何表明存在着太阳系外的行星。

　　梅尼和奎洛兹发现的第一颗有行星系统迹象的恒星名为飞马

　　座51，位于飞马座中。它与我们的太阳系十分相似（我们的太阳

　　是一颗G2型星）。飞马座51则被分类为G3型星，也就是说，它很

　　稳定，年龄与我们太阳差不多，表面温度也差不多。①但是，除

　　此之外，它与我们的太阳就没有什么相似之处了。

　　到1995年为止，人类所知道的唯一的行星系统就是我们自己

　　的太阳系。在我们的太阳系里，地球与太阳的距离位居第三，是

　　离太阳相对较近的4颗小小的石质行星之一。在离太阳较远的地

　　方，还有一组很大的气体巨行星，包括木星和土星。整个太阳系

　　还有一条小行星带（在火星和木星之间）和大量环绕着石质行星

　　和气体行星转动的卫星。这就是1995年之前，我们仅有的行星系

　　统的模式，所以我们只能推测那是一种相当平常的模式。但是，

　　最多产的行星发现者之一马西（Geoff　Marcy）最近在谈到太阳

　　系外的某个行星上可能居住着外星人时却说：“也许他们认为我

　　们不可思议！”＇1＇

　　对那些认为我们太阳系是标准模式的人们来说，在对这颗新

　　发现的行星的质量和位置进行计算时，第一次感到了震惊。据研

　　究，环绕飞马座51转动的行星质量大约为木星的一半，但是它离

　　自己那颗恒星仅0．05天文单位。一个天文单位等于太阳到地球

　　的距离——149　600　000千米，因此，新发现的环绕飞马座51转

　　动的行星距离它只有500万英里（约800万千米）。此外，它只需

　　4天即可绕轨道一周，而木星绕轨道一周则需12年。

　　最初这一发现使梅厄和奎洛兹惊诧不已，他们认为自己正在

　　观测的是一个怪异的恒星系统，它有一颗特别小的、被俘获在飞

　　马座51附近轨道上的褐矮星。但这似乎又不太可能，因为褐矮星

　　质量的下限至少比木星大20倍。看来这不可能是答案。为了进一

　　步证实他们的发现，他们重新回过来研究所观测到的多普勒频移

　　的详细资料，并采用光谱分析法来证实或否定自己的猜测。

　　如我们所知，光谱分析是天文学家的又一种强有力的工具。

　　它使天文学家能够测定一颗遥远恒星的化学性质。科学家尽管从

　　来没有机会研究从所观测的恒星取回的实物材料，却能够确切地

　　描绘它们的化学性质，这已是不争的事实。他们之所以能够这样

　　做，完全归功于最初于20世纪30年代发明的光谱分析技术。它是

　　爱因斯坦对原子性能进行研究的一项成果。

　　爱因斯坦在1905年发表的一篇论文中（他后来因此而获得诺

　　贝尔奖）指出：不同的物质根据它们的电子结构，以不同的方式

　　吸收或发射不同的电磁辐射（这是诸如光电池、电视机里的阴极

　　射线管和激光之类的日用设备的基本原理）。因此，如果一个物

　　体发射的辐射性质能够说明其原子或化学性能的话，那么，科学

　　家只须通过研究其光谱就可以获得有关该物体化学特性的大量资

　　料。这一原则同样适用于对研究恒星成分感兴趣的天文学家。来

　　自恒星核心的光经过它的大气层。这一辐射激发了大气层里不同

　　物质的原子中的电子，于是它们发射出各有特征的辐射。这些辐

　　射穿越太空并为地球上的天文学家的分光仪所发现。这一信息一

　　旦经过处理，即可揭示该恒星中发射这种辐射的分子的化学特性。

　　这与在实验室里可以通过分析样品的光谱来研究烧杯里的溶液成

　　分没有什么两样。唯一的差别在于恒星发出的光必须穿越比实验

　　室里少量试剂产生的光遥远得多的距离。

　　运用这种方法，梅厄和奎洛兹得以证实他们对于所发现的恒

　　星系统的怀疑，并且很快得出不容置疑的结论：环绕飞马座51转

　　动的天体实际上是一颗行星而不是褐矮星。几个星期之后，在

　　1995年8月，他们将论文送交《自然》杂志，详细阐述了他们的

　　发现。同年10月，他们又在佛罗伦萨的一次天文学术会议上公开

　　宣布了这项发现。

　　不出所料，这一发现立即引起了热烈的反响。不仅科学界被

　　这一消息所倾倒，公众反应也极为轰动。世界各地的报纸纷纷在

　　头版头条报道了这一事件，正规的杂志上评论如潮，而在伪科学

　　期刊和小报上更是铺天盖地载满了各种各样的煽情文章。两位发

　　现者在宣布之后几小时内就接到了成百上千个电话、传真和电子

　　邮件，其中有一个6岁的美国男孩发来一份有趣的电子邮件，他

　　想知道，梅厄和奎洛兹是否访问过他们发现的那颗行星。

　　梅厄和奎洛兹的发现不仅仅激起了公众的激情和兴趣。在同

　　一领域里的研究人员几乎立即回到他们的实验室，开始搜寻其他

　　的行星。这种努力的结果是在1995年的下半年和1996年上半年又

　　有了许多新发现。

　　图12　光谱分析

　　（A）　实验室里；（B）天文学家如何利用同样的技术。

　　梅厄和奎洛兹的主要对手是两位美国天文学家，来自旧金山

　　州立大学的马西和加利福尼亚大学伯克利分校的巴特勒（Paul　　

　　Butler）。他们在瑞士小组取得突破之前一直在一起分析一组60

　　颗恒星，历时已有7年之久。他们失败了，因为他们像大多数天

　　文学家一样，按照常规的思路在搜寻，以为别的行星系统也跟我

　　们的太阳系一样——小的行星在靠近太阳的轨道上运行而大的气

　　体行星则在远得多的距离上运转。他们不曾考虑到像梅厄和奎洛

　　兹发现的那么大的气体行星存在于一颗恒星附近的可能性。日内

　　瓦小组的发现促使马西和巴特勒回到他们的研究资料上，以一种

　　新的眼光重新审视它们。

　　不久他们就发现一组合乎要求的天体，并从此成为寻找太阳

　　系外的行星的最成功的研究小组。到本书写作之时，在已经证实

　　或几近证实的大约一打太阳系外的行星中有7颗是他们发现的。

　　他们的第一项发现是一颗环绕恒星室女座70转动的行星。那是一

　　颗后来被称为“偏心的”行星，质量大约是木星的9倍，绕轨道

　　转动一周需要117天。其所以偏心是由于它沿着一条十分扁长的

　　椭圆轨道绕室女座70转动。

　　我们太阳系行星的轨道全都是椭圆形的，但是这些轨道都只

　　是略微偏离圆形轨道。而马西和巴特勒新发现的行星则沿着一条

　　很扁的椭圆轨道运动。该轨道把这颗行星带到距离其恒星不足0．27

　　天文单位，或者说大约2500万英里（4000）万千米）的地方，

　　而后又远行至距离该恒星0．59天文单位（大约5000万英里或

　　8000万千米）处。在这一发现期间，马西和巴特勒又宣布发现了

　　第三颗行星。这次是一颗环绕大熊座47转动的行星。它被认为是

　　又一颗像木星那样的行星，只是质量为木星的2倍。它的轨道很

　　平常，与其恒星的距离是地球到我们太阳的距离的2倍，绕轨道

　　运行一周大约需要3年时间。

　　自从这些发现公布以来，太阳系外的行星名单不断加长。这

　　些新发现的行星中有些被认为偏心率过大，以至对它们究竟是不

　　是普通意义上的行星产生了疑问。如果它们不是行星又是什么呢？

　　这仍然是个谜。正如马西和巴特勒所说：“也许它们是理论家们

　　目前还毫无概念的新天体。”＇2＇

　　最近，一个新术语——“超行星”被用来描绘一组新近观测

　　到的更加遥远的天体。它们全都是大天体，可又不像褐矮星，因

　　为用光谱分析法分析它们的化学成分显示它们的形成与通常恒星

　　的形成方式（由大量的气体和尘埃融合而成）不同。然而，它们

　　也不像天文学家以前所见到的行星，可能是两个或更多的气体巨

　　行星碰撞的产物。对天文学家来说，最使人迷惑不解的是这些发

　　现愈来愈清楚地表明，几乎所有这些行星全都在距离它们的恒星

　　很近的地方（比水星离我们的太阳还要近）。

　　在最近这些发现之前，行星学家们深信行星只有两种：一种

　　是像木星那样的气体巨行星，它们比地球大许多倍，在相对较远

　　的距离上环绕恒星转动（在我们太阳系中，这类行星包括木星、

　　土星、天王星和海王星）；另一种是像地球那样的岩石行星，它

　　们是固态的，比气体的巨行星小得多，它们的轨道离太阳也近得

　　多。这后一组包括水星、金星、地球和火星。②以前科学家从未

　　想象过一颗像木星那样大的行星居然会在离一颗恒星那么近的轨

　　道上，就像新发现的那些环绕飞马座51、室女座70和其他恒星转

　　动的天体那样。

　　当然，这些奇特的行星率先被发现的理由显而易见。探测恒

　　星的晃动，以确定它是不是一颗行星的主宰，这种技术显然有利

　　于那些附近有较大天体存在的恒星。因为相比之下它们的引力不

　　规则变化最容易辨别。尽管如此，这么大的行星竟会在如此接近

　　其恒星的距离上存在，这一点仍然相当令人惊诧：它们究竟是怎

　　么形成的？究竟是什么使它们没有被那颗质量更大的恒星消耗殆

　　尽？

　　要了解这一点，我们必须看一下通常用来解释像我们太阳系

　　这样的行星系统形成的流行理论。根据最现代的观念，一颗年轻

　　恒星被一团尘埃、气体和冰块组成的圆盘包围着。如果有一大团

　　物质在圆盘中集聚，质量达到地球的好几倍，那么它的引力场就

　　会变得很强，足以消耗附近的大量气体，从而形成天文学家称为

　　“原行星”的天体，它可能成为像木星那样的气体巨行星。而形

　　成较小的行星则是由于尘埃和冰块凝结形成一个坚实的核心，然

　　后冷却产生像地球和火星这样的行星。

　　根据这一理论，在环绕年轻恒星的盘里形成的大的气态天体

　　被热和太阳风往外推，而在恒星胚胎期的初期这种推力尤为强大。

　　自从发现了至少4颗像木星那样的行星在较近的范围内环绕

　　它们的恒星转动后，这一理论就必须改写了。最新的理论是，在

　　适宜的条件下，有些气体巨行星会开始快速自转，并沿着螺旋形

　　的轨迹朝它们的恒星转去。它们炽热的余迹将消灭