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系外行星的研究正在蓬勃发展,天文学家似乎每周都在推出太阳系外新发现的行星。在系外行星目录中,现在有超过 400 个候选行星或拟议行星,美国宇航局的开普勒号宇宙飞船,于三月发射,在任务的第一个结果公布后,于周一开始累积数据。在美国天文学会的一次会议上,任务科学家揭开了开普勒号发现的五颗炽热、巨大的行星,这架太空望远镜在未来几年内应该能够发现潜在的可居住的、类似地球的世界。
但是,实际上直接观测到的系外行星非常少——一颗行星的存在和特性通常是通过其对宿主恒星的微妙影响推断出来的。因此,一些发现并没有完全得到证实也就不足为奇了,一些系外行星候选者被发现是更大的天体,如恒星或棕矮星(比行星大但又太小而无法像恒星一样融合氢的天体),而一些在仔细检查后似乎完全消失了。
随着系外行星数量的持续膨胀,有争议或被拒绝的竞争者的名单也在增加。除了在线 系外行星百科全书 中列出的 400 多个可行的系外行星候选者之外,还有 60 多个被归类为“未经证实、有争议或撤回”的系外行星。最近添加到有争议或撤回列表中的一些内容突出了系外行星发现的不确定性,以及为确定候选行星的真实特性而进行艰苦的后续研究的重要性。
在最近的一个案例中,一个跨越行星-棕矮星边界的行星前景被发现牢固地处于后者的质量更大的阵营中。(根据国际天文学联合会的说法,任何质量为木星 13 倍或更多的物体都被认为是棕矮星而不是行星。)HD 136118 b 由当时在加州大学伯克利分校的黛布拉·费舍尔及其同事于 2002 年发现,最初被确定为具有至少 12 个木星质量。系外行星的命名惯例是在宿主恒星的名称后附加小写字母;HD 136118 b 围绕着一颗名为 HD 136118 的恒星运行。
但是,1 月 1 日出版的天体物理学杂志上的一篇论文发现,其真实质量远高于此:约为木星质量的 42 倍。当 HD 136118 b 首次被发现时,费舍尔的团队注意到了它很可能是恒星 HD 136118 的棕矮星伴星,而现在在耶鲁大学的费舍尔表示,她对新的结果并不感到惊讶。(事实上,尽管棕矮星与天文学家很快希望发现的凉爽、可居住的类地世界几乎没有相似之处,但它们本身也很有趣。)
2007 年出现了一个更引人注目的重新识别案例,当时候选行星 HD 33636 b,最初被标记为具有至少 7.7 个木星质量,被发现大得多。一个由当时在德克萨斯大学奥斯汀分校 (U.T.) 的研究生雅各布·比恩领导的团队发现,HD 33636 b 不仅太大而不能成为行星,而且太大而不能成为棕矮星。(比恩也是最近关于 HD 136118 b 的论文的合著者。)事实上,它似乎是一颗恒星,质量约为木星的 142 倍,与一颗更大的恒星兄弟配对成双星系统。
这两个案例都揭示了系外行星研究中的一个薄弱环节:寻找系外行星最常用的方法,即径向速度法,只能揭示其质量的下限。径向速度搜索寻找恒星光中因轨道伴星的引力牵引而引起的多普勒频移。但是,这些频移仅显示恒星沿我们视线的运动,并且在不知道行星的轨道与地球视线的角度的情况下,无法确定其真实质量。上述案例说明了当行星被发现高度倾斜,其轨道平面几乎垂直于我们的视线时会发生什么。
费舍尔说:“问题归结为简单的几何学。” “我们只测量沿视线的速度。”知道这个速度后,仍然存在两个未知数——行星的质量和它的倾斜度——而且两者都无法最终解决。“我们从未能够用径向速度测量倾斜度……而且我们永远也无法做到,”费舍尔说。
为了找到 HD 136118 b 和 HD 33636 b 的质量,研究团队将地面径向速度观测与天体测量(或对天空中恒星位置的精确测量,来自哈勃太空望远镜)相结合。径向速度数据可以显示恒星是正在靠近还是远离,而天体测量可以显示恒星是否在横向移动。费舍尔说:“天体测量可以检测到天空平面上的运动,因此可以提供完整的 3D 轨道。”
德克萨斯大学的天文学家弗里茨·本尼迪克特与比恩和其他人合作撰写了关于 HD 136118 b 和 HD 33636 b 大质量的论文,他说,天体测量并没有更频繁地用作交叉检查,原因有几个:一个原因是很少有仪器具有所需的精度;另一个原因是遥远的系外行星引起的平面运动太小而无法检测到。本尼迪克特说:“随着系统离我们越来越远,扰动的明显大小会缩小。” “最重要的是,我们在使用这种技术时没有足够的附近恒星。”
天体测量和径向速度观测的矛盾数据是上个月行星僵局的根源——一组人发现存在行星,而另一组人则没有。今年 5 月,位于加利福尼亚州帕萨迪纳的美国宇航局喷气推进实验室的史蒂文·普拉夫多和斯图尔特·沙克兰宣布他们通过地面天体测量法探测到了一颗候选系外行星,称为 VB 10 b。(地面观测会受到大气效应的影响,因此通常被认为不如哈勃等太空观测可靠。)但在 12 月,现在在德国哥廷根大学的比恩和他的同事们展示了同样从地面获得的径向速度数据,这些数据并未显示存在轨道伴星。比恩说:“以我们获得的精度,实际上很容易探测到这颗行星。” “所以很容易排除它。”
新数据使比恩和他的同事得出结论,普拉夫多和沙克兰关于 VB 10 b 的说法是“虚假的”。但沙克兰不同意,他指出比恩的“工作并没有完全排除行星的存在”。他说,如果没有更多的数据,就无法证实这两个相互矛盾的结果。比恩指出,即使考虑到新的研究,一颗与普拉夫多和沙克兰得出的参数略有不同的行星仍然可能存在。
拟议行星行列中的所有这三个修订都涉及使用不同的观测方法交叉检查可能的探测结果,开普勒团队在宣布该飞船的第一个结果之前,使用了近 100 个晚上的地面望远镜时间来完成这项工作。但是,后续研究会消耗时间和资源,在某些情况下,需要比目前可用的更强大的仪器来稳固地确定行星探测的细节。欧洲航天局的盖亚号宇宙飞船计划于 2012 年发射,可以通过精确的天体测量来填补其中的一些细节。
比恩说:“互补技术的应用非常重要,”他指出他愿意从不同的角度审查新的发现,这就是他陷入修改甚至反驳其他科学家工作的不安境地的原因。“我想这已经逐渐发展成为我的专长——结合使用不同的方法,”比恩说。“所以这可能就是我陷入这种混乱的原因。”