银河系里到底有没有行星?小时候我连太阳系都数不全
我记得特别清楚,大概六七岁的时候,我爸第一次带我去天文馆,穹幕影院里放的是太阳系的纪录片,解说员说到“太阳系有九大行星”的时候,我掰着手指头数了半天,脑子里就在想:这些行星转来转去的,是不是每个都像地球一样,上面有人在走路?然后我问了我爸一个很蠢的问题——银河系是不是最大的那个圈圈?里面全是太阳吗?
后来过了很久我才知道,我当时的困惑其实问到了一个天文学里藏了几百年的问题:银河系里有行星吗?这个问题看起来简单得要命,但真的要答上来,居然花了人类几千年的时间。
你抬头看到的那些星星,可能都不是行星
先说一个让小时候的我崩溃的事实。银河系里你肉眼能看到的每一颗单独的亮点,全都是恒星。或者更狠一点说,除了月亮、金木水火土这五个行星之外,夜空中所有闪烁的光点,要么是恒星,要么是远方的星系,行星本身是不发光的,它们就像躲在聚光灯后面的小石子,被自己母恒星的光芒完全淹没了。
这就让“找行星”这件事变得特别尴尬,想象一下,你站在北京二环的过街天桥上,要看清楚五百米外一辆开着的汽车前灯旁边,有没有一只萤火虫在飞,差不多就是这个难度。
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1992年之前,我们其实一个证据都没有
在很长一段时间里,天文学家的态度特别拧巴,从原理上讲,恒星形成的时候,周围剩下的边角料气体和尘埃盘应该会凝聚出行星才对,理论上银河系应该有,但你问证据呢?一颗都没找到,这就很尴尬。
转折点出现在1992年,波兰天文学家亚历山大·沃尔兹森和加拿大同行戴尔·弗雷尔,用波多黎各的阿雷西博射电望远镜盯着一颗脉冲星—— PSR B1257+12 ,脉冲星是恒星爆炸后留下的超高密度残骸,会像灯塔一样极有规律地发射射电脉冲,他们发现,这颗脉冲星的信号到达时间偶尔会提前一点点,偶尔又推迟一点点,像是有什么看不见的东西在绕着它转,用引力轻轻拽了它一下。
经过反复计算,他们得出了一个炸裂的结论:这颗脉冲星周围,有两颗质量相当于地球好几倍的岩石行星,后来还确认了第三颗。这是人类历史上第一次确切地发现太阳系外的行星——系外行星,而且你猜怎么着?这两颗行星环绕的是一颗已经死掉的恒星残骸,命运特别悲壮,它们可能在母恒星超新星爆发之后才从残骸盘中形成,也可能幸存了下来,但不管怎样,周围是死寂的高能辐射环境。
我每次想到这个场景都觉得特别科幻——整个宇宙里人类确认的第一批外星世界,居然是在一座恒星的墓碑旁边。
| 发现年份 | 发现者 | 方法 | 意义 |
| 1992年 | 沃尔兹森 & 弗雷尔 | 脉冲星计时法 | 人类首次确认系外行星 |
| 1995年 | 米歇尔·麦耶 & 迪迪埃·奎洛兹 | 径向速度法 | 首次发现绕类太阳恒星运行的系外行星(飞马座51b),获2019年诺贝尔物理学奖 |
| 2009–2018年 | 开普勒任务团队 | 凌星法 | 发现超过2700颗确认系外行星,彻底改变了统计学认知 |
到真正绕“正常恒星”的行星现身,又等了三年
脉冲星旁边的行星很酷,但对寻找“外星生命”的人来说没什么用,那种环境太极端了,大家真正想知道的是:像太阳这样的普通恒星周围,有没有行星?
答案在1995年来了,瑞士日内瓦大学的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹,用一种叫径向速度法的技术,发现了一颗巨大的气态行星正在围绕恒星飞马座51公转,这颗行星被命名为飞马座51b,质量大约是木星的一半,但它离母恒星近得离谱,表面温度能上千度,公转一圈只要4天多。
当时整个天文学界都懵了,因为按照我们太阳系的模型,小行星就该待在里面,大块头气体巨星应该乖乖在外围待着,结果人类真正找到的第一颗绕正常恒星运行的行星,就是个不折不扣的“叛逆者”,后来这种天体有了个专门的类别——热木星,这说明我们对行星系的想象,一开始就太狭隘了。
开普勒望远镜一上天,数字开始暴走
如果说之前是在用小渔网一条一条捞鱼,那2009年NASA发射的开普勒太空望远镜就是直接放了一张巨型拖网,它的工作方式特别简单但又极其聪明,就盯着一小片天区里大约15万颗恒星,看它们会不会有规律地微微变暗,一颗行星从我们视线方向经过恒星表面时,会遮住一点点光,就像一只小飞虫爬过投影仪镜头,这个方法叫凌星法。
开普勒的数据一回来,之前所有的推测都变成了统计学上的实锤,到2018年退役时,它已经确认了2700多颗系外行星,还有数千颗候选者在排队等待验证,更重要的是,这些数据的统计告诉我们几件事:
- 银河系里平均每颗恒星至少有一颗行星。
- 像地球这样大小、处在“宜居带”里的岩石行星,可能比我们想象中要常见得多。
- 行星系统的形态五花八门:有七八颗岩石行星挤在一个比水星轨道还小的区域里的,比如著名的TRAPPIST-1系统;有围绕两颗恒星公转的“塔图因”行星;还有被恒星烤到表面在融化蒸发的气态行星。
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银河系里有多少颗行星”这个账,现在可以算了
终于到了小时候的我最想知道的答案,目前最靠谱的估计来自开普勒数据的统计分析,天文学家现在普遍认为,银河系大约有1000亿到4000亿颗恒星,如果每颗恒星平均至少有一颗行星(而且很多是多行星系统),那行星的数量至少和恒星数量相当,甚至可能翻倍。
这就意味着一个让我既兴奋又后背发凉的结果:光是我们这个普普通通的旋涡星系里,就可能有几千亿颗行星。其中有相当一部分,是像地球这样的小型岩石天体,光是在所谓的“宜居带”里,可能就有上百亿颗表面可能留住液态水的世界。
我有时候晚上出门遛弯,抬头看一眼银闪闪的夜空,想到这个数字会有点恍惚,那些看起来密密麻麻挤在一起的星点背后,每一颗可能都有自己沉默运转的行星家族,有些正在经历陨石轰炸期,有些海洋刚刚形成,有些可能早已死寂了数十亿年。
现在的搜索已经不只是“有没有”了
最近这些年,搜寻的方式又升级了,现在的重头戏是直接给系外行星拍照,以及分析它们大气层里的化学成分,詹姆斯·韦布空间望远镜已经成功拍下了几颗系外巨行星的直接图像,甚至开始透过光谱分析某颗行星大气里有没有水蒸气、二氧化碳、甲烷,尤其是一个叫K2-18 b的亚海王星大小的行星,去年在它的大气里发现了二甲基硫醚的可能特征——在地球上,这种分子几乎只由海洋浮游生物产生,当然这个结果还需要反复验证,但如果最终确认,那就真的是颠覆性的。
说到韦布,还有个很有意思的发现,它盯着著名的TRAPPIST-1系统观测的时候,发现最内侧的那几颗岩石行星因为离恒星太近,大气层早就被猛烈的恒星风剥离干净了,但靠外侧的几颗,也许还有保留浓厚大气或者水圈的可能,这就是现在的研究状态——不是简单地问这颗行星存不存在,而是开始判断它是不是真的像个家。
其实很多人会重复我问过的那个傻问题
我后来发现,在知乎和各种论坛上,隔段时间就有人认真地问:“银河系里有行星吗?”每次看到这种帖子我都不觉得好笑,反而觉得亲切,因为这其实是一个特别合理的困惑——如果没人告诉你观测历史有多艰难,你会本能地觉得,天上那么多星星,绕几颗行星应该再正常不过吧?但我们的技术就是在这样天真问题的推动下,一步步从脉冲星的微弱信号波动,到这个世纪初发现第一颗热木星,再到今天几千颗样本在手、开始细看大气成分的。
所以下次你在网上搜这个问题的时候,可以放心地把答案记住:有,多到数不过来,多到我们开始挑剔哪一颗最像故乡。