1995年10月6日,马约尔和奎洛兹在《自然》杂志发表了题为《一颗围绕类太阳恒星运行的巨行星》(A Jupiter-Mass Companion to a Solar-Type Star)的论文。论文中,他们宣布:飞马座51周围存在一颗质量至少为0.47倍木星质量(约150倍地球质量)的行星,轨道半长轴仅0.05天文单位(约750万公里),公转速度高达137公里/秒(是水星公转速度的2.5倍)。
这颗行星后来被命名为飞马座51b(51 Pegasi b)——按照系外行星命名规则,主恒星名称后加小写字母b(代表第一颗被发现的行星)。
(1)科学界的“地震”
论文发表后,整个天文学界陷入沸腾。多数科学家的第一反应是“怀疑”:类太阳恒星的行星怎么可能离得这么近?会不会是数据错误?
为了验证结果,美国加州理工学院的杰夫·马西(Geoff Marcy)和保罗·巴特勒(Paul Butler)立刻行动——他们一直在用凯克望远镜的HIRES光谱仪寻找系外行星。仅仅两周后,马西团队就独立检测到了飞马座51的径向速度波动,与马约尔和奎洛兹的结果完全一致。“我们当时在办公室里跳了起来,”巴特勒后来回忆,“这是系外行星研究的‘登月时刻’。”
1996年,哈勃空间望远镜的观测进一步坐实了飞马座51b的存在。通过“恒星盘成像”技术,天文学家发现飞马座51的亮度分布存在微小的“畸变”——这是行星引力导致的恒星形状变化(潮汐畸变)。更重要的是,哈勃的光谱仪检测到飞马座51b的大气层存在水蒸气吸收线,证明它是一颗气态巨行星。
(2)热木星:颠覆认知的“逆子”
飞马座51b的属性,彻底打破了人类对行星系统的固有认知。它属于热木星(Hot Jupiter)——一类质量与木星相当(0.3-10倍木星质量)、轨道半长轴小于0.5天文单位的巨行星。这类行星的表面温度极高(飞马座51b的温度约1000℃),大气层处于高度电离状态,甚至会向外释放高速粒子流。
为什么热木星会存在?按照此前的“核心吸积模型”(Core Accretion Model),行星形成始于原行星盘中的尘埃碰撞:尘埃聚集成千米级的“星子”,再通过引力吸积周围物质,最终形成行星。在这个模型中,巨行星需要在“雪线”(恒星周围水冰凝结的区域,约2-5天文单位)外形成——因为只有那里有足够的水冰,才能快速形成巨大的冰核,进而吸积气体成为巨行星。然而,飞马座51b的轨道距离恒星仅0.05天文单位,远在雪线以内,根本不可能形成巨行星。
唯一的解释是行星迁移(Migration):行星在形成后,通过与原行星盘的相互作用,逐渐向恒星靠近。原行星盘是由气体和尘埃组成的盘状结构,包裹着新生恒星。当行星在其中运行时,会与盘内的气体产生摩擦,损失角动量,从而螺旋式向内迁移。飞马座51b可能就是在雪线外形成后,通过这种机制迁移到了当前轨道。
四、从“不可能”到“新常态”:系外行星研究的新时代
飞马座51b的发现,不仅仅是一颗行星的确认,更是系外行星天文学的起点。在此之前,系外行星只是理论上的“可能存在”;在此之后,它变成了“真实存在”,并引发了一系列连锁反应。
(1)技术的爆炸式发展
为了寻找更多类似飞马座51b的行星,天文学家开始改进探测技术。1996年,马西和巴特勒发布了他们的“加州行星搜索计划”(California Planet Search),用凯克望远镜的HIRES光谱仪寻找类太阳恒星的行星。到2000年,他们已经发现了30多颗热木星。
2009年,NASA发射开普勒空间望远镜(Kepler Space Telescope),将系外行星探测推向高潮。开普勒采用“凌日法”:持续观测15万颗恒星的亮度变化,寻找行星穿过恒星表面时产生的“微 transit”(亮度下降0.01%左右)。到2018年退役时,开普勒一共发现了2335颗确认的系外行星,其中60%是热木星或类海王星行星。
2018年,NASA发射TESS(凌日系外行星巡天卫星),将搜索范围扩大到全天——重点寻找围绕附近恒星(距离地球300光年以内)的行星。TESS的灵敏度更高,能检测到更小的行星(比如地球大小的行星),进一步拓展了系外行星的样本库。
(2)行星形成理论的革命
飞马座51b的发现,让“行星迁移”从“假说”变成了“核心机制”。天文学家通过计算机模拟发现,原行星盘的寿命约为1000万年,足够行星完成迁移。例如,木星可能也曾经历过迁移——在太阳系形成初期,木星从雪线外(约5天文单位)向内迁移到1.5天文单位,然后再向外迁移回当前位置(5.2天文单位)。这种“大迁移”理论,解释了太阳系中类地行星的轨道倾斜、小行星带的空隙等诸多谜题。
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