天文學(xué)家用新方法發(fā)現(xiàn)27顆"塔圖因"候選行星

你有沒有想過(guò)，如果地球繞著兩顆太陽(yáng)轉(zhuǎn)，生活會(huì)是什么樣？這不是科幻小說(shuō)的設(shè)定——在銀河系里，這種"雙日行星"可能比我們想象的要多得多。一支澳大利亞團(tuán)隊(duì)最近宣布，他們用一套全新的觀測(cè)手法，一口氣找到了27顆可能的雙星行星候選者。

這些行星有個(gè)專業(yè)名字叫"環(huán)雙星行星"（circumbinary planets），意思是它們不圍繞某一顆恒星轉(zhuǎn)，而是在兩顆恒星的共同引力場(chǎng)里畫著復(fù)雜的軌道。最出名的例子是開普勒-16b，2011年發(fā)現(xiàn)時(shí)因?yàn)榭崴啤缎乔虼髴?zhàn)》里盧克·天行者的故鄉(xiāng)塔圖因，直接被媒體喊成了"塔圖因行星"。

但說(shuō)實(shí)話，這類行星在已知的系外行星里一直是稀有動(dòng)物。截至這次發(fā)現(xiàn)之前，天文學(xué)家在6000多顆已確認(rèn)的系外行星和候選者里，只找到過(guò)大約18顆環(huán)雙星行星。不是它們真的少，而是我們之前的找法太"挑食"了。

這次打破局面的，是悉尼新南威爾士大學(xué)（UNSW）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)。他們用的數(shù)據(jù)來(lái)自NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS），但關(guān)鍵創(chuàng)新是一種叫"近心點(diǎn)進(jìn)動(dòng)"（apsidal precession）的分析方法。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、UNSW博士生瑪戈·桑頓說(shuō)，這能幫他們找到"隱藏起來(lái)的大量行星種群"。

要理解為什么新方法這么重要，得先聊聊老辦法是怎么工作的。

TESS衛(wèi)星2018年發(fā)射，核心任務(wù)是找系外行星。它的工作原理叫"凌日法"：衛(wèi)星用廣角相機(jī)對(duì)準(zhǔn)一片星場(chǎng)，持續(xù)監(jiān)測(cè)成千上萬(wàn)顆恒星的亮度。如果某顆恒星有行星，而且這顆行星的軌道剛好讓它周期性地從恒星和我們之間穿過(guò)，就會(huì)造成恒星亮度的微弱周期性下降——就像一次微型日食。通過(guò)捕捉這種亮度變化，天文學(xué)家就能推斷行星的存在。

凌日法很靠譜，至今大多數(shù)系外行星都是這么發(fā)現(xiàn)的。但它有個(gè)先天缺陷：只對(duì)"正對(duì)"我們的行星系統(tǒng)有效。如果行星軌道傾斜，從我們的視角看它根本不經(jīng)過(guò)恒星盤面，那它就完全隱形了。更糟糕的是，環(huán)雙星行星的軌道通常比單星行星更復(fù)雜、更傾斜，正好容易掉進(jìn)凌日法的盲區(qū)。

桑頓指出了一個(gè)更深層的問(wèn)題：我們對(duì)系外行星的整體認(rèn)知，其實(shí)被尋找方式嚴(yán)重扭曲了。目前發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)行星都在單星系統(tǒng)里，像太陽(yáng)系這樣。但天文學(xué)界早就知道，銀河系里超過(guò)一半的恒星其實(shí)是雙星或多星系統(tǒng)。"我們找到的主要是那些最容易探測(cè)的，"桑頓說(shuō)，"新方法能幫我們揭開那些因?yàn)橐暰€角度問(wèn)題而隱藏的行星，讓我們看到宇宙中行星種群的真正面貌。"

這就是"近心點(diǎn)進(jìn)動(dòng)"登場(chǎng)的時(shí)機(jī)。

這個(gè)概念本身不算新。天文學(xué)家早就用它來(lái)研究雙星系統(tǒng)——兩顆恒星互相繞轉(zhuǎn)時(shí)，它們的軌道橢圓會(huì)在空間里緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，就像陀螺的軸在擺動(dòng)。這種進(jìn)動(dòng)會(huì)影響雙星互相掩食的時(shí)機(jī)和形態(tài)。桑頓團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新在于：他們把這套分析框架用到了行星搜尋上。

具體怎么做？他們仔細(xì)監(jiān)測(cè)雙星系統(tǒng)的掩食變化。如果兩顆恒星的掩食規(guī)律出現(xiàn)微妙變動(dòng)，可能意味著系統(tǒng)里還有第三個(gè)引力源——一顆行星在拉扯它們的軌道。關(guān)鍵是，這種方法不需要行星本身從恒星前面經(jīng)過(guò)，只要它能通過(guò)引力影響雙星的運(yùn)動(dòng)，就有可能被探測(cè)到。

用團(tuán)隊(duì)高級(jí)作者、天文學(xué)家本·蒙泰特教授的話說(shuō)，這相當(dāng)于打開了一扇之前緊閉的門。"用這種方法能找到多少行星，這個(gè)潛力讓我很興奮，"他說(shuō)，"我沒想到……"——采訪在這里中斷，但意思已經(jīng)清楚：初步結(jié)果超出了他們的預(yù)期。

27顆候選行星，這個(gè)數(shù)字本身就需要消化。它意味著環(huán)雙星行星的已知數(shù)量可能一夜之間翻一倍還多。更重要的是，這只是TESS數(shù)據(jù)的初步篩查結(jié)果。TESS已經(jīng)觀測(cè)了數(shù)百萬(wàn)顆恒星，如果新方法在這些數(shù)據(jù)里能批量出貨，那么重新分析歷史檔案、甚至設(shè)計(jì)未來(lái)的巡天策略，都可能帶來(lái)更大的收獲。

當(dāng)然，候選者不等于確認(rèn)發(fā)現(xiàn)。接下來(lái)團(tuán)隊(duì)要做大量跟進(jìn)工作：用地面望遠(yuǎn)鏡驗(yàn)證信號(hào)，排除其他可能的干擾源（比如恒星本身的 activity 或數(shù)據(jù)噪聲），測(cè)量行星的質(zhì)量和軌道參數(shù)。有些候選者可能會(huì)被證偽，有些可能需要數(shù)年才能確認(rèn)。這是系外行星學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)流程，急不得。

但即便只有一部分候選者最終過(guò)關(guān)，這次發(fā)現(xiàn)也已經(jīng)改寫了我們對(duì)行星分布的直覺。長(zhǎng)期以來(lái)，理論模型對(duì)環(huán)雙星行星的形成和穩(wěn)定性有諸多質(zhì)疑：雙星的引力擾動(dòng)會(huì)不會(huì)阻止行星在宜居帶形成？行星會(huì)不會(huì)被甩出系統(tǒng)？這些問(wèn)題的答案，需要大量真實(shí)樣本才能檢驗(yàn)。

桑頓的表態(tài)很克制，但指向深遠(yuǎn)：如果環(huán)雙星行星真的大量存在，那我們對(duì)"典型行星系統(tǒng)"的想象就需要調(diào)整。目前發(fā)現(xiàn)的單星系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，可能只是觀測(cè)偏差的產(chǎn)物。銀河系里最常見的恒星配置是雙星，如果行星能在這種環(huán)境里普遍存在，那宇宙中的宜居世界可能比當(dāng)前估計(jì)的更多——或者更少，取決于雙星光照對(duì)氣候的復(fù)雜影響。

蒙泰特提到的"沒想到"，大概也包含這層意思：新方法的有效性暗示，之前的搜尋可能漏掉了一個(gè)龐大的行星種群。這不是對(duì)過(guò)去工作的否定——凌日法在技術(shù)上已經(jīng)做到極致——而是提醒天文學(xué)家，多重技術(shù)路線并行才能逼近真相。

從更遠(yuǎn)的視角看，這次發(fā)現(xiàn)也延續(xù)了系外行星學(xué)的一個(gè)傳統(tǒng)：每當(dāng)我們以為摸清了行星世界的輪廓，新的觀測(cè)手段就會(huì)揭示更復(fù)雜的圖景。1995年第一顆系外行星被發(fā)現(xiàn)時(shí)，沒人想到"熱木星"會(huì)如此普遍；開普勒望遠(yuǎn)鏡時(shí)代，我們才發(fā)現(xiàn)地球大小的行星可能到處都是；現(xiàn)在，環(huán)雙星行星或許正在經(jīng)歷類似的認(rèn)知升級(jí)。

對(duì)于普通讀者來(lái)說(shuō)，最直觀的畫面還是那個(gè)：兩顆太陽(yáng)掛在天空，行星在它們之間跳著復(fù)雜的引力之舞。這種場(chǎng)景在科幻里出現(xiàn)多年，現(xiàn)在正一點(diǎn)點(diǎn)獲得科學(xué)實(shí)證的支撐。27顆候選行星是開始，不是終點(diǎn)。桑頓和蒙泰特的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在規(guī)劃下一步：擴(kuò)大樣本、改進(jìn)算法、結(jié)合其他探測(cè)手段。

宇宙中的行星到底有多少種生存方式？這個(gè)問(wèn)題沒有標(biāo)準(zhǔn)答案，但每一次方法創(chuàng)新都在拓寬我們的搜索邊界。近心點(diǎn)進(jìn)動(dòng)法的故事說(shuō)明，有時(shí)候重要的不是造更大的望遠(yuǎn)鏡，而是用新的眼光審視已有的數(shù)據(jù)。TESS的檔案里可能還藏著更多秘密，等待被重新解讀。

至于那些最終得到確認(rèn)的環(huán)雙星行星，它們的世界會(huì)是什么樣？?jī)深w恒星的光照變化會(huì)不會(huì)造就極端的氣候節(jié)律？生命有沒有可能在如此動(dòng)蕩的環(huán)境里演化？這些問(wèn)題的答案，可能要等下一代望遠(yuǎn)鏡——比如詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡的后續(xù)觀測(cè)，或者地面30米級(jí)望遠(yuǎn)鏡的落成——才能開始觸及。現(xiàn)在能做的，是先把候選者的名單做實(shí)，把統(tǒng)計(jì)樣本堆厚。

桑頓說(shuō)她們"揭開了隱藏行星種群的一角"。這個(gè)比喻很準(zhǔn)確：27顆候選行星是一扇窗，透過(guò)它看到的風(fēng)景，可能和我們對(duì)行星世界的既有想象大不相同。而窗外還有多大一片天地，目前沒人說(shuō)得準(zhǔn)——這正是讓天文學(xué)家保持興奮的那種不確定性。