[科普中国]-外太阳系

观测

美国国家航空航天局哈勃太空望远镜发现太阳系外行星大气层中存在二氧化碳。这一突破性发现为寻找地外生命“生物化学示踪剂”迈出了重要的一步。

这颗行星名称为HD 189733b，大小与木星相当，温度较高，可能不适合生命存在。不过哈勃望远镜的观测至少从概念上证明了，太阳系外行星生命的基本化学组成是可以 测量的。

有机化合物可能是生命代谢过程的一种“副产品”，而在类地行星上探测到这些“副产 品”或许有一天能为地外生命的存在提供“第一手证据”。

此前，哈勃太空望远镜和美国国家航空航天局斯必泽太空望远镜观测到HD 189733b上有水蒸汽存在。今年早些时候，哈勃太空望远镜又在其大气层中发现了甲烷。

哈勃太空望远镜项目科学家说：“当初设计哈勃的目的是观测遥远的宇宙深处，不过现在它开创了天体物理学和比较行星学的新时代。”他还说：“我们很快就开始这些大气研究，并测定遥远的太阳系外行星的大气组成和化学反应过程。我们希望在遥远行星的大气层中发现更多的分子。”

美国加利福尼亚州帕萨迪纳美国国家航空航天局喷气动力实验室科学家马克?斯温（Mark Swain）用哈勃近红外摄象机和多目标分光仪对行星发出的距地球63光年的红外光线进行了研究。行星大气气体从行星炽热的内部吸收了部分波长的光线。在地球接收到的辐射中，分子会留下独特的光谱。这样，斯温鉴定出行星上存在二氧化碳和一氧化碳。这也是第一次从系外行星获取近红外放射光谱。

斯温说：“二氧化碳的发现是我们感到振奋的主要原因。因为，以目前条件判断，二氧化碳与生物活动应该有联系。我们能够探测到二氧化碳，并且能够计算出其含量的丰富程度，这对长期致力于行星研究、弄清其组成成份以及该星是否适合生命居住来说，意义重大。”

行星自转轴与观测者的视线垂直时观测效果最好。这样，行星会定期从其绕转恒星的前面穿过然后转到背面去。这种现象叫作“蚀”。HD 189733b平均每2.2天就转到恒星背面了。“蚀”使科学家得以从“蚀”前恒星和行星共同发出的光中减去行星被挡住后恒星单独发出的光。这样，行星反射的光线得以分离出来，而行星大气的化学分析也成为可能。

喷气推进实验室的另一位科学家说：“这样，当行星位于恒星背面时，我们就可以观测到行星的‘昼面’，这时，大气层最热。”他还说：“我们目前已经开始寻找分子，弄清楚分子数量，并观察‘昼面’和‘夜面’分子数量的变化。”

此次对行星发出的近红外光线进行观测，非常成功。这对天文学家使用计划于2013年发射的詹姆斯?韦伯太空望远镜是个极大的鼓舞。因为这些生物标志用近红外波段观察效果最佳。天文学家期待着用韦伯望远镜对与地球大小相当的类地行星或数倍于地球质量的“超级地球”上的“生物标志”进行光谱观测。

侦测历史早在十九世纪便有天文学家声称发现外太阳系行星。1855年，在东印度公司马德拉斯天文台（Madras Observatory）工作的雅各（W. S. Jacob）发现蛇夫座70双星系统轨道异常，怀疑当中有类似行星的物体；1890年代，芝加哥大学及美国海军天文台（United States Naval Observatory）的汤玛斯·杰佛逊·杰克逊·希（Thomas Jefferson Jackson See）声称轨道异常证明该系统当中有一个公转周期为36年的黑暗物体，但福雷斯特· 雷·莫尔顿（Forest Ray Moulton）随即指出这样的系统极不稳定。在1950至1960年代，斯沃斯莫尔学院的彼德·范德（Peter van de Kamp）声称发现了绕著巴纳德星公转的行星。后来的天文学家普遍认为这些早期观测都是错误的。

加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔（Bruce Campbell）等人在1988年的结果是首次获得随后观测确认的发现，他们利用视向速度法发现围绕仙王座 γ（少卫增八）的行星；然而因为当年技术条件所限，包括发现者本身的天文学界都对结果有所保留。也有人怀疑这些其实是质量介乎于行星和恒星之间的棕矮星。

随后不少观测支持仙王座γ拥有行星，但亦有研究显示相反的证据。最终到了2003年运用改进了的观测技术方能证实。

1991年，安德鲁·林恩（Andrew Lyne）等人声称运用脉冲星计时法发现了一个围绕PSR 1829-10的脉冲星行星。虽然结果受到注目，但林恩及其研究队伍很快便撤回结果。

1993年，波兰天文学家阿莱克桑德·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）及戴尔·弗雷（Dale Frail）宣布发现一个围绕PSR 1257+12的脉冲星行星。这项发现迅速被确认，普遍认为这是首次对系外行星的确认。这些系外行星相信是由超新星的残余物所构成，或是巨型气体行星的固体核心被超新星抛出所形成。

1995年10月6日，日内瓦大学（University of Geneva）的米歇尔·麦耶（Michel Mayor）及戴狄尔·魁若兹（Didier Queloz）宣布首次发现一颗普通主序星（飞马座51）的行星，这发现开展了当代的系外行星发现。先进的科技，特别是高解像度的光谱学，大大加速了新系外行星的发现。这些新发展让天文学家可以凭行星对母星的重力影响间接侦测到系外行星的存在，亦有行星因为经过母星前面导致母星光度减弱而被发现。

截至2006年10月2日，人类一共发现了210个系外行星，包括一些在1980年代后期已被发现，却在后期才被证实的，当中很多都是由杰弗里·马西（Geoffrey Marcy）的队伍在加利福尼亚大学的利克天文台（Lick Observatory）和凯克天文台（Keck Observatory）发现。现已发现了二十个拥有超过一个行星的星系，最早发现的一个为仙女座υ行星系统；另外亦有四个行星围绕两个脉冲星的情况。经红外线观测恒星盘亦显示在一些行星系统中也存在著数以百万计的彗星。

外太阳系的七大谜团谜团一：为什么柯伊伯带五颜六色？1

柯伊伯带位于海王星以外的太阳系边缘，现在科学家怀疑这里是彗星的诞生之地，这些慧星只需要几十世纪或几百年时间就可以形成各自的太阳系轨道，因此也被称为短期彗星。夏威夷大学的天体物理学家大卫·杰维特说，令人惊讶的是，柯伊伯带的天体“呈现出一系列颜色，从黑白色或轻微的蓝色，到鲜艳的大红色。”一个天体的颜色可展现它的表面组成成分的详细情况。现在的难解之谜是，与其他小行星相比，柯伊伯带的天体为什么会显示出如此多的色彩，这表明它表面的组成成分非常多。

一些研究人员指出，火山活动能形成这些颜色，但是杰维特说：“这种现象在直径为100公里的天体内根本不可能发生，”因为火山作用需要一些更大的天体。杰维特和他的同事指出，宇宙射线可能让柯伊伯带的天体看起来更红，它们与岩石的撞击，可能会碰撞出更多让它们看起来不是太红的原始物质。现在杰维特认为还有有关这种“彩虹”的其他解释，只是目前还不清楚确切答案。

谜团二：红外物质究竟是什么？

似乎有一种被称为“红外物质”的东西只存在于大约半数的柯伊伯带天体和它们的直接后裔“半人马座”(在木星和海王星之间运行的由冰构成的小行星，最近从柯伊伯带内逃逸出来)中。内太阳系中并没有这种红外物质，“来自柯伊伯带的彗星上甚至也没有这种物质。”杰维特解释说，“这显示出这种红外物质在靠近太阳的高温环境下非常不稳定。”红颜色暗示这种物质可能包含有机分子。通常情况下，人们认为有机分子正是借助彗星和其他小行星来到地球。杰维特说： “在柯伊伯带的天体中，有机成分可能已经被宇宙射线‘蒸熟’，让这些天体的表面呈现暗红色，但是目前并没有证据证明这一说法。”将来飞船将飞到那里，找到最终答案。

谜团三：柯伊伯带收缩了吗？

理论计算显示，柯伊伯带曾经的粒子数比现在多几百，或许是几千倍。杰维特说：“柯伊伯带99%或99.9%的质量是如何丧失的？是在什么时候丧失的？”一种推测显示，当40亿年前土星和木星改变运行轨道的时候，它们的重力将柯伊伯带的天体抛向外太阳系。另一种说法是，柯伊伯带的天体在相互撞击的过程中成为碎片，随后被太阳放射物吹走。然而，还有一种可能性“是我们正在丧失的一些至关重要的东西和柯伊伯带的重量减轻的结论是错误的。通过对比，所有这些可能性都很难令人信服，但是如果最终证明它们确实是事实，它们中的每一个都会令人大为震惊。”

谜团四：奥尔特云里有何秘密？

奥尔特云是几万亿颗遥远的彗星的聚集地，从理论上来说，它距离太阳大约10万个天文单位，一天文单位大约相当于9300万英里(1.5亿公里)。这意味着奥尔特云距离我们非常遥远，我们根本无法直接看到它内部的天体，因此只能凭借推测，但是它一定存在，并释放出多年来我们不断看到的彗星。奥尔特云是推测中的彗星发源地，这些彗星完成围绕太阳的长途旅行需要几个世纪。因为这些“长期彗星”来自不同的方向，科学家通常认为奥尔特云呈球状。杰维特解释说，然而，虽然哈雷等彗星不是来自柯伊伯带，但是它们的轨道也与球状奥尔特云的不相符。这显示太空中很可能存在一个形状像油炸面包圈的“内奥尔特云”。杰维特表示，天体物理学家认为奥尔特云是大约46亿年前在太阳周围形成的原行星盘的残余物。对奥尔塔云了解的越多，越有助于我们了解太阳系和地球的产生过程。

谜团五：外太阳系是否存在更多的矮行星？

到目前为止，已经公认的矮行星有3颗——谷神星、冥王星和阋神星。柯伊伯带距离太阳大约50个天文单位，它内部可能有200多个矮行星。夏威夷双子星天文台的天文学家查德·特鲁吉洛说，在柯伊伯带外距离太阳大约100个天文单位以外的地方，可能存在大量矮行星大小的天体，“因为它们非常昏暗，而且运行非常缓慢，因此以前没有人看到过它们。如果一个天体运行到距离太阳200个天体单位以外，即使它像火星一样大，我们现在的观测方法也无法发现它。” 特鲁吉洛注意到，在即将到来的10年中“全景观测望远镜和快速反应系统”(Pan-STARRS)和(LSST)大口径综合巡天望远镜“应该能填补我们有关这方面知识的空白。”

谜团六：矮行星来自哪里？

有理论认为，根据现在的轨道可以看出，数十亿年前，外太阳系中的矮行星可能居住在太阳系内部。特鲁吉洛提出疑问，如果事实确实如此，“它们的表面为什么有那么多冰，这些冰又是从何而来?”人们一般认为，由于阳光照射，太阳系内部的天体都失去了冰层。特鲁吉洛和他的同事怀疑现在在这些矮行星上看到的冰相对来说比较新，它们来自这些天体的内部，在“火山作用”下喷出地表。当然，目前还需要通过进一步的研究来证明是否这种冰在从太阳系内部到达外太阳系的长途旅行后，还足够覆盖这种矮行星。

谜团七：宇宙射线来源于太阳系周围的汽泡？

当从太阳吹来的带电粒子超声速风与在恒星间发现的稀薄气体相撞时，太阳风猛烈吹击这种星际介质中的泡沫。星际介质是已知的球状日光层。科学家认为，微弱的宇宙射线——从太空飞向地球的高能粒子——来自日光层。科学家认为这些射线来自边界激波(termination shock)，边界激波是一个被压扁的冲击波，当太阳风突然爆发，冲击星际气体时，就会产生强放射性粒子。边界激波距离太阳大约75到85个天文单位。

外太阳系异常新天体一个由加拿大、法国和美国天文学家组成的科研小组已经在海王星轨道以外，在天文学家们称之为柯伊伯带的区域之中，发现了一个不同寻常的小天体。这个新天体到太阳的距离是海王星的两倍，大小约为冥王星的一半。这个天体暂时被昵称为巴菲，它拥有一条非常异常的轨道，很难用以前的外太阳系形成理论来解释。这个新天体目前距离太阳58个天文单位(1个天文单位，即1AU，等于地球到太阳的平均距离)，它与太阳的距离从来不会小于50个天文单位，因为它的轨道是接近圆形的。几乎所有在海王星以外被发现的柯伊伯带天体都介于30AU～50AU之间。在50AU以外，主柯伊伯带似乎就终止了，仅有的几个在这个距离以外被发现的天体全都处于高椭率的轨道之上。这些高椭率的轨道大都是海王星通过一种引力弹弓效应将这些天体向外“抛掷”的结果。然而，因为这个新天体从来不会运行到50AU以内，因此必须有一种不同的理论来解释它的轨道。使问题变得更加复杂的是，这个天体的轨道还是极其倾斜的，相对于太阳系其他天体的轨道平面，它的轨道倾斜了47°。

这个天体在国际天文联合会的官方通告中，被正式编号为2004XR190，它是在加—法黄道面巡天计划(CFEPS)的常规观测中被发现的，这是加—法夏威夷望远镜所做的Legacy巡天的一部分。到目前为止，发现者们仍然在使用临时昵称巴菲来称呼这个新天体。不过，他们已经上报了另一个官方名称，以遵循此类天体命名的常规惯例。巴菲是从成堆的Legacy巡天数据中提取出来的(每操作1小时就会产生大约50G字节的数据)，强大的计算机梳理着望远镜照片，寻找出数以百计的候选目标。天文学家们再对这些候选目标进行筛选，辨认出遥远的彗星。英属哥伦比亚大学(UBC)的天文学家莱妮·艾伦最先发现了这个新天体，当时她刚刚完成了对2004年12月的CFEPS数据处理的初步辨认工作。“与我们通常发现的柯伊伯带天体相比，它是相当明亮的，”艾伦博士说，“但是更有趣的是，它的距离是如此遥远。”这个天体的亮度表明，它的直径很可能介于500千米～1000千米之间。因此巴菲是一个非常大的柯伊伯带天体，只有大约半打天体比它更大。“我们马上意识到，这个天体距离太阳大约是海王星的两倍，它的轨道有可能是接近圆形的，”UBC的教授布德特·格莱德曼说，他在测定轨道时注意到了这个天体非同寻常的本质，“但是进一步的观测还是必需的。”

精确测量一个柯伊伯带天体的轨道需要对它进行一到两年的观测。对巴菲的第一次补充观测出现在2005年10月，格莱德曼和康耐尔大学的菲尔·尼科尔森使用5米的海尔望远镜再次观测了这个天体。对巴菲新位置的测量不仅证明它的轨道非常倾斜，与行星系统平面的倾角为47°(基本上平了柯伊伯带天体的纪录);而且还证实了巴菲与其他任何已知的天体都不相同，因为它位于一条半径非常长，但却几乎是圆形的轨道之上。亚利桑纳基特峰国家天文台的望远镜对巴菲的位置进行了更多的测量，这些观测是由小组成员约耳·帕克(西南研究院)，以及J。卡弗拉斯(加拿大国家研究委员会，赫茨伯格天体物理研究所)和韦斯·弗雷泽在2005年11月完成的，修正了对巴菲近日距的估计。然后Legacy巡天计划将提供更多的观测，进一步确认它的轨道。天文学家们必须等到2006年2月，才能测量出巴菲运行轨道的精确细节。研究小组已经将他们的发现上报给小行星中心(MPC)，这是新小行星天文测量数据的“票据交换所”。“发现第一个50AU以外的圆轨道天体，这确实是诱人的。”小行星中心主任布赖恩·马斯登回应说。过去的五年来，关于外太阳系形成的理论已经被推至了极限:异常的柯伊伯带天体，例如巴菲，它们从来不靠近海王星，但仍然拥有高轨道倾角，这些必须得到解释。尽管解释个别天体的理论是存在的，但是要用同一个过程再现出所有已知天体的组合，这就给目前的太阳系模型提出了一个艰难的挑战。因为这些异常的天体，比如巴菲，是非常罕见的，所以天文学家们仍然在搜刮柯伊伯带的黑暗角落。要想解开我们太阳系早期历史之谜，未来系统探索柯伊伯带的大规模巡天是唯一的途径2。