在浩瀚宇宙中找到你——新星的發現之旅

點擊「國家空間科學中心」可以訂閱哦！

最近，天文學家發現了一顆系外行星，圍繞它的行星環尺寸驚人，比土星的環還要大上200多倍。這顆行星非常年輕，行星環中可能正在誕生它的衛星，而我們從地球上就可以看到這個超大行星環的陰影。現在，天文學家正在尋找其他像它一樣有著巨大行星環的行星。就在今年，2017年，可能就能觀測到行星繪架座βb（beta Pictoris b）以及它的行星環啦！

點擊播放 GIF/390K

小黑板

凌星：一個天體在另一個天體前面經過時的天文學現象。

假陽性：類似於要觀測的現象，但由於干擾因素存在，造成了虛假信號。

雙星系統：有兩顆恆星的星系，它們在各自的軌道上圍繞著共同的引力吸引中心運行。

尋找新星的方法

當一顆行星運行到它的母恆星前面，會擋住來自母恆星的一部分光線，這個階段長達好幾個小時，被稱為行星凌星。天文學家正是通過這種掩星法發現了銀河系裡的很多行星。他們利用小型望遠鏡，測量行星在恆星前面移動而造成的恆星亮度的改變，進而發現並觀測新的行星。像木星這種巨大的天體，其直徑可達恆星的十分之一，它擋住的光相當於恆星總光線的百分之一。

第一次用掩星法發現行星是在2000年[1]。當時，配合計算機控制的攝像機，大衛·沙博諾（David Charbonneau）教授使用的是4英寸口徑（約102毫米）望遠鏡。現在全世界有許多不同型號的望遠鏡，每隔幾分鐘就會拍下夜空的照片，尋找由於行星凌星所致的可辨別出的亮度變化。

其中一個尋找行星凌星的天文台叫做超廣角行星探測器（SuperWASP）（見圖1）。這種探測器配備了八個強大的攝像鏡頭，分別連接著八個照相機，每晚都拍下夜空的照片[2]。使用的鏡頭越多花費也越大，鏡頭少雖然省錢，但要耗費更多時間。截至2010年，超廣角行星探測器收集了超過一千八百萬個星體多年來的珍貴數據！這些數據對其他天文學家們來說也很有用，它們可以被用來研究感興趣的行星，探索行星的活動。

在發現新行星方面，這些小小的望遠鏡取得了巨大的成就。在地球上觀測到了300多顆行星繞著母恆星移動。還有更多行星沒被觀測到，因為它們的運動軌道跟地球上的望遠鏡不在一條線上。2009年發射的開普勒號空間探測衛星，用同樣的方法發現了1000多顆行星。

但同時也有一個問題。使用電腦根據亮度減弱來探測行星是有難度的，因為還有其它天文現象跟行星凌星很像。比如，當兩顆恆星運行時碰巧互相阻擋對方的光亮，看起來與行星凌星類似，探測就會出現假陽性。

有些恆星也會因為如下原因導致亮度改變：膨脹、坍縮、表面發生爆炸，或者正把附近其它恆星的星屑吸引過來。這些現象都可能造成假陽性。由於眾多天文現象的誤導性，超廣角行星探測器的建造者把所有數據都放到了網上，以供其他天文學家下載，方便大家一起研究。而他們也就是這麼發現J1407的。

恆星J1407的發現

美國羅切斯特大學的Eric Mamajek 教授和他的研究生Mark Pecaut，研究了超廣角行星探測器資料庫里的數據。Eric和Mark都是發現年輕恆星的專家。年輕恆星有兩個標誌：（1）表面有許多黑子，黑子區域比其他部分溫度更低，看起來像小黑點。（2）年輕恆星比較老恆星自轉速度更快。太陽自轉一圈大概需要25天，但年輕恆星只需要2到3天。

年輕恆星自轉時，其表面的黑點會時而不見、時而可見，這會對亮度的變化產生小小的影響。通過觀察恆星發出的光，Eric和Mark觀測到每次自轉時亮度的周期性改變。資料庫里記錄著很多恆星的亮度變化情況，為發現年輕恆星提供了完美的平台和有力的證據。

其中被觀測到的一顆恆星叫做J1407。他們發現這顆恆星的光數據非常奇怪。這顆星的全名叫做1SWASP J140747.93-394542.6，這個名字來源於它在天空中的坐標位置，我們簡稱它為J1407。

在頭兩年的時間裡，這顆星表現得非常規矩聽話，它的光度每隔3.2天就呈現出微小的變化，這顯示它是一顆旋轉得很快、可能也非常年輕的恆星。直到2007年中期，它開始表現出了異常。

在兩個月的周期里，這顆恆星的亮度開始變得黯淡，接著回到正常值，之後又黯淡了大約一周，然後反著重複了這個過程，最後才回到正常值（見圖2）。而且，它變暗的速度非常非常快。只用了一夜的時間，光度就下降了一半多。這到底是什麼原因導致的呢？

圖2. 2007年4月和5月獲得的J1407的光數據。紅點是測量得到的恆星的光度。通過用電腦模擬行星環在恆星前面的運行，記錄被行星環遮擋後恆星的光度變化，繪製出了圖中的綠線。綠線恰好和實際觀測的紅點相吻合[3]。

幾個月之後，Eric給我看了這顆恆星的光變數據。與此同時，其他的天文學家也在持續關注這些數據並研究J1407上到底發生了什麼。我們提出了幾個可能的假設——也許這是一個雙星系統？答案是否定的，它的光數據太複雜了。那究竟是什麼原因呢？

奇怪的光變曲線背後的真相

唯一行得通的解釋，就是我們看到的其實是位於大行星環內的大量小行星環，就跟圍繞著土星的行星環一樣，在地球和這顆恆星之間運行。

鑒於這顆恆星變暗和變亮的速度如此迅速，我們可以想見，擋住它的行星環的移動速度有多快。將此速度乘以亮度變化的天數，可以估算得到行星環的大小：它的直徑大於1.8億千米！這些行星環的大小相當於金星圍繞太陽公轉的軌道（見圖3），這真是太不可思議了！

圖3. 環繞J1407b的行星環的最優模型。綠線顯示恆星在行星環後面的運行軌跡。藍點是J1407b所在的地方，灰色環是超廣角行星探測器缺失的數據，不同程度的紅色環代表行星環的不同密度[4]。

但是這些行星環在哪裡，它們在這顆恆星的周圍嗎？不是。最簡單的解釋是，有一個看不見的行星在離J1407很遠的地方繞行，行星周圍有著巨大的行星環（見圖4）——比土星的環還要大200多倍（行星環圍成的面積則是四萬多倍）（見圖5）！

圖4. J1407星系的軌道俯視圖（左），以及從地球上看J1407星系的軌道（右）。行星J1407b圍繞恆星J1407運行。行星環的軌道繞著行星，行星和行星環一起繞著恆星運動。從地球看，J1407b的軌道幾乎是在這個星系的邊緣，行星環阻擋了恆星的光。

圖5. J1407b 的行星環非常大，如果土星也有這麼大的行星環，傍晚時我們可以直接用肉眼或者手機相機看到它。如圖所示，如果J1407b行星環在土星周圍，這就是萊頓大學學術樓頂的天空。

天文學家用母恆星的名字加上字母「b」給行星命名。為什麼用「b」而不是用「a」？原因是恆星被認為是星系中的第一個天體，被稱為「a」，它周圍的行星將是「b」「c」「d」等等。因此，圍繞恆星J1407的行星被命名為J1407b。

當數據提示在距離恆星大約400光年外的宇宙中遊盪著巨大的天體，我們立刻用世界上最大的望遠鏡來拍攝這個驚人的星系。雖然望遠鏡不夠強大，無法看到單個的行星環，但也許可以看到在環中心發光的行星。

搜索行星J1407b

行星形成時是一個充滿緻密熱氣的球體。而所有溫暖的物體都會發出熱能，行星也在不斷地散發「熱光」。熱能的波長是可見光波長的三四倍，我們可以藉助一種能「看到熱」的攝像機來從地球上觀測星體，搜尋J1407b。許多快速冷卻的小石塊組成了行星環，因此無法被這種感熱攝像機所探測到。

當用熱探測望遠鏡觀察時，我們沒有看到恆星J1407附近的天體，但這並不意味著該星系沒有行星。我們知道那裡有行星環，而行星環的形成需要依靠行星的重力。熱探測望遠鏡的數據說明，這顆行星比我們原先以為的要更小。事實上，如果行星特別小，即使用世界上最大的望遠鏡，也無法被觀測到，因此我們認為J1407周圍的行星最多只比木星重80倍，否則是能夠觀測到它的「熱光」的。

恆星J1407相對明亮，可以使用小型望遠鏡看到，所以我們希望世界各地的業餘天文學家都來觀測這顆星星，並拍攝照片。我們現在正在等待行星環再次移動到恆星前，不過，這一定會發生嗎？已有數據推測它將在未來10年內發生，可能在明天就開始了——所以最好繼續密切關注，耐心等待。

在數碼相機還沒有如今這般流行的時代，天文學家用的是感光板來拍攝天空的影像。感光板是像腦袋大小的薄玻璃片，表面塗有特殊的光敏化學物質，當有光線照射時，它由透明變成黑色。天文學家將感光板放入望遠鏡中，瞄準天空靜靜觀察數小時，再用化學試劑在暗房中沖洗，望遠鏡所拍攝的天體就能在感光板上呈現出黑色斑點。

一百多年間，人們拍攝了數十萬張照相板。哈佛天文台收集了很多這樣的感光板，正在使用專用掃描照相機將其傳到電腦上。所得到的這些舊數據可以被用來搜索過去是否記錄到了J1407被行星環遮擋。現在，這個研究還在進行中。

2017年的宇宙新聞

2017年，有一顆行星會運行到它的恆星前面。這顆恆星被稱為繪架座β（beta Pictoris），中文星名為老人增四，它的行星叫繪架座βb，比木星重約10倍。自從2010年被發現以來，人們已經拍到了這顆行星的照片，行星繪架座βb的軌道將在2017年的某個時候移動到恆星前面。我們無法預知確定的時間，因為旁邊的恆星非常明亮，導致行星的確切位置很難測量。

在接下來的兩年里，通過繼續給繪架座β拍照，或許能看到行星環的陰影路過它的樣子。如果這一點被觀測到，將是非常令人振奮的，因為世界各地的天文學家都可以看到這顆非常明亮的恆星，並同時收集很多數據。

對於恆星J1407，我們正無比耐心地等著行星環路過它，等著將持續兩個月的凌星現象。我們會觀測到恆星的光度變化嗎？行星環到底是由什麼物質組成？答案終將揭曉，請大家拭目以待吧！

參考文獻

本文的主要內容來自學術論文：Kenworthy, M. A., and Mamajek, E. E. 2015.Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b:sculpting by exomoons? ApJ 800:126. doi:10.1088/0004-637X/800/2/126

其他參考文獻：

[1] Charbonneau,D., Brown, T. M., Latham, D. W., and Mayor, M. 2000. Detection of planetary transits across a sun-like star. ApJL 529:45. doi:10.1086/312457

[2] Butters, O. W.,West, R. G., Anderson, D. R., Collier Cameron, A., Clarkson, W. I., Enoch, B.,et al. 2010. The first WASP public data release. A&A 520:10.doi:10.1051/0004-6361/201015655

[3] van Werkhoven,T. I. M., Kenworthy, M. A., and Mamajek, E. E. 2015. Analysis of 1SWASP J140747.93?394542.6 eclipse fine-structure: hints of exomoons. MNRAS 441:2845. doi:10.1093/mnras/stu725

[4] Kenworthy, M.A., and Mamajek, E. E. 2015. Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b: sculpting by exomoons? ApJ 800:126.doi:10.1088/0004-637X/800/2/126

[5] Lagrange, A.-M., Bonnefoy, M., Chauvin, G., Apai, D., Ehrenreich, D.,Boccaletti, A., et al. 2010. A giant planet imaged in the disk of the young star Beta Pictoris. Science 329:57.doi:10.1126/science.1187187

來源：賽先生

國家空間科學中心微信公眾訂閱號（ID：nssc1958）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！