银河系外的行星，可能首次被人类找到了

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非，题图：此次发现的行星候选者，正是位于涡状星系中。图片来源：ASA, ESA, S. Beckwith and the Hubble Heritage Team

1846年，法国天文学家奥本·勒维耶（Urbain Le Verrier）通过数学计算确定了一颗行星的准确位置。很快，海王星——已知的最后一颗太阳系内行星——在勒维耶的指导下被观测到了。

而人类再次找到一颗新行星，则要等到1992年。这一次，人类的视野冲出了太阳系。在2800光年外的处女座中，射电天文学家亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）和戴尔·弗莱尔（Dale Frail）发现脉冲星PSR 1257+12周围有两颗行星在绕行，这也是第一次在太阳系之外找到行星。

从海王星到第一颗太阳系外行星（简称系外行星），人们苦苦追寻了近一个半世纪；而从后者到找到第一颗银河系外行星，我们可能只用了不到30年。近日公开于预印本平台arXiv的一篇论文宣布：利用钱德拉X射线天文望远镜的数据，研究人员在2800万光年外的涡状星系，发现了一颗略小于土星的行星。

银河系内的搜寻

在1992年首次确认系外行星的存在之后，天文学家搜索系外行星的步伐从未放缓。截至目前，在3213个恒星系统中，人们已经确认发现了4348颗系外行星，此外还有超过5000颗待确认。这其中，凌星法和径向速度法是搜索系外行星的主要手段。

凌星法是基于这样的情景：当一颗行星掠过恒星表面，由于行星遮挡住恒星发出的一部分光线，这时地球观测者眼中的恒星自然会变得黯淡了。当然，原理看似简单，但实际观测并不容易。由于恒星的体积往往远远超过了其行星，因此恒星亮度的下降微乎其微。例如，当一颗类似地球的行星经过类太阳恒星时，恒星的亮度只会下降约万分之一。因此，只有足够精密的探测器，才能捕捉到这样微弱的变化。

能够实现这类观测的，正是2009年发射升空的开普勒太空望远镜。在近10年的观测寿命中，开普勒望远镜发现了2662颗系外行星。而在其退役之后，凌星系外行星勘测卫星（TESS）成为继承者，在更广阔的视野、更遥远的距离继续寻找系外行星。

另一种重要的观测手段是径向速度法。如果一颗恒星周围有行星运行，行星的引力会引起恒星远离或靠近我们的速度发生变化。根据多普勒效应，我们可以在恒星光谱上发现这样的变化。尽管信号同样微弱，但天文学家早已通过该手段有所收获。1995 年，米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）就利用这一策略探测到了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星，二人也因此获得去年的诺贝尔物理学奖。

不过，目前找到的这近万颗行星（及候选天体）无一例外，都位于银河系中。当这些在银河系中为我们取得丰硕成果的手段应用于银河系外时，却都变得无能为力。这一困境不难理解：无论是凌星法，还是径向速度法，这些变化的幅度本就微弱，放在更遥远的其他星系中，就更加难以观测。

X射线凌星法

在这项由哈佛史密森尼天体物理中心的天文学家R·迪斯蒂法诺（R. Di Stefano）领导的研究中，他们考虑的是另一类信号。

这项观测的原理其实与开普勒望远镜相似，都是凌星法——不过，信号源从可见光换成了明亮的X射线源。在银河系之外，明亮的X射线源主要源自X射线双星系统。这类系统由一颗普通恒星和一个大质量恒星的遗骸（例如黑洞或中子星）构成。后者巨大的引力能够吸积伴星的物质，在这个过程中，吸积盘将释放X射线。

这类X射线信号之所以能够用于寻找银河系外行星，一个原因在于，它们蕴涵的能量巨大（例如此次信号的亮度就是太阳各波段总和的约100万倍）；更重要的是，在X射线凌星现象中，恒星亮度变化十分明显。在正常的凌星现象中，由于整个恒星都在释放辐射，因此途经的行星只能遮挡住一小部分光线。相比之下，X射线的发射区域集中在狭小的吸积盘，当行星经过时，甚至可以将X射线完全遮住，这时X射线源如同经历了一次“日全食”。

借助这一策略，研究团队使用当代最先进的X射线望远镜——钱德拉X射线天文望远镜的数据，在距离我们超过2800万光年的涡状星系（Whirlpool Galaxy）中，找到了一个期待已久的信号。这组信号属于名为一个M51-ULS-1的双星系统：在持续3个小时的时间内，X射线的亮度如下图所示，呈现出U型曲线，这正是凌星现象的特征。此外，在中间的20~30分钟内，X射线信号完全消失了。

 X射线亮度的U型曲线（图片来源：研究论文）

当然研究人员也意识到，除了途经的行星，还有其他因素也可能造成类似的亮度变化。例如，吸积过程自身受到扰动，从而出现亮度变化；X射线双星自身性质的变化，使得X射线源在一段时间内被关闭；或者，经过X射线源的不是行星，而是一颗体型较小的恒星（例如白矮星）。

正常情况及被遮挡时的X射线源（图片来源：研究论文） 

不过，根据亮度曲线的变化特征以及其他天文学限制，这些选项被研究者逐一排除。因此，最大的可能性浮出水面：有一颗行星（命名为M51-ULS-1b）正在半径数十亿千米的轨道上，围绕这个双星系统运行。根据计算，M51-ULS-1b的体积略小于土星。

值得一提的是，这可以说是一项迟到了近8年的发现。这个信号早在2012年就被钱德拉望远镜捕捉到，但一度被埋藏在大量数据中，并没有受到格外的关注。直到迪斯蒂法诺等人开始关于银河系外行星的研究，其意义才凸显出来。

不过，现在要说确定发现了银河系外行星还为时尚早。目前这篇论文刚刚被上传至预印本网站，尚未通过同行评议从而正式发表。如果最终得到证实，这将是我们认识宇宙的重要进展，我们寻找行星的范围也将被大幅拓宽。同时，这也为寻找银河系内的类地行星提供了新的思路。

原始论文：

M51-ULS-1b: The First Candidate for a Planet in an External Galaxy

本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：吴非