编者按：天文学家今天正式宣布，使用新的双子座行星成像仪发现了系外行星 51 Eridani b。51 Eridani b 是一颗年轻的、富含甲烷的气态巨行星，是持续寻找太阳系外类木星世界的一个里程碑。该团队的研究结果发表在《科学》杂志上Science。 《大众科学》在六月份首次报道了这一发现，当时研究人员在一次小型科学会议的公开演讲中披露了 51 Eridani b 的存在和细节。以下是当时的报道。 要了解有关双子座行星成像仪和突破性地拍摄遥远系外行星的努力的更多背景信息，请阅读《大众科学》的专题报道，窥探外星木星竞赛内幕。
天文学家首次拍摄到一颗年轻的系外行星的照片，这颗行星在轨道和大小上都类似于我们太阳系中最大的行星木星。 这颗名为 51 Eridani b 的行星是由新一代行星探测仪器承诺带来的一系列发现中的第一个，可能有助于科学家解开木星和其他气态巨行星如何形成和塑造其行星系统的秘密。
51 Eridani b 于 2014 年 12 月使用新安装在智利双子座南方望远镜上的双子座行星成像仪 (GPI) 发现，可能很快将被确认为迄今为止最小的直接成像系外行星。 这一发现于昨天在加拿大蒙特利尔举行的“In the Spirit of Lyot”天文学会议上，由 GPI 首席研究员、斯坦福大学天文学家布鲁斯·麦金托什在一次演讲中宣布。 他和其他 GPI 团队成员拒绝就此报道发表评论。 他们已向《科学》杂志提交了一篇详细介绍其发现的论文，该杂志有严格的规定，禁止作者在出版前公开数据。
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这颗新的系外行星围绕着位于波江座的类太阳恒星 51 Eridani 运行，距离地球约 96 光年。 麦金托什和他的团队估计，51 Eridani b 的质量是木星的两倍，距离其恒星的距离是木星的 2.5 倍。 然而，与我们熟悉的、大约 45 亿年历史且云顶温度为寒冷的零下 145 摄氏度的气态巨行星不同，51 Eridani b 更年轻、更热——不超过 2500 万年，富含甲烷的云层温度接近 400 摄氏度。
51 Eridani b 刚刚从形成过程中冷却下来，像行星大小的灯泡一样在红外线下发光，这就是 GPI 团队能够从近 100 光年外瞥见它的原因。 他们拍摄的这颗行星的图像本质上是一张婴儿照片。 尽管这颗巨大的系外行星如此年轻和遥远，但它是天文学家迄今为止见过的最接近木星的“表亲”。
难以捉摸的类木星
在过去的二十年中，天文学家通过更间接的方式发现了数千颗系外行星，观察到看不见的世界导致它们所环绕的恒星发生摆动、变暗或变亮。 这些探测技术对于寻找靠近恒星、公转周期以天或月为单位的系外行星最为有效。 像木星这样的行星，它围绕太阳的公转周期为 12 年，可能只有经过数十年的此类间接观测后才会出现。
行星猎人实际上只看到了少数系外行星，这是一项更加困难的任务，需要地球上最强大的望远镜上的先进仪器。 在 51 Eridani b 之前，所有直接成像的世界都是质量是木星数倍的气态巨行星，其中许多都非常巨大，以至于它们延伸了行星的定义，更像是缩小的、失败的恒星。 大多数潜伏在其系统的外边缘，远离其恒星的耀眼光芒。
与这些超大型、遥远、有些像恒星的世界相比，类木星行星是矮小的侏儒，紧贴着它们的太阳。 这将它们置于可以被认为是行星探测的“死区”：离它们的恒星太远，无法通过间接手段快速找到，又太近而难以直接成像。 这就是为什么即使经过二十年的爆炸式系外行星发现，天文学家仍然只是模糊地感觉到这些外星木星有多么普遍，以及像我们这样的行星系统在宇宙中其他地方出现的频率有多高。 人们认为，木星巨大的体积在其婴儿期塑造了我们的太阳系，引导了其他胚胎世界的形成和轨道演化，甚至可能为年轻的地球播下了水、有机化合物和其他生命必需成分的种子。 如果没有木星，我们的星球甚至我们自己很可能都不会存在。
自下而上还是自上而下？
因此，天文学家不仅希望了解外星木星有多么普遍，还希望了解它们最初是如何产生的。 GPI 和类似的设施，特别是欧洲南方天文台新的光谱偏振高对比度系外行星研究仪器 (SPHERE)，是为回答这个问题而专门建造的。 所有行星都诞生于围绕恒星旋转的气体和尘埃盘中，但这种环境为巨行星的形成提供了两种不同的途径——要么是自下而上，通过越来越大的物质块的逐渐聚集，要么是自上而下，通过冷气体团的直接、快速引力坍缩。
气体快速坍缩形成自上而下的世界，会在新生巨行星内部捕获大量热量，导致其在最初的 1 亿年里应该比自下而上形成的行星更热更亮。 最终，新生行星冷却下来，它们火热诞生的记录也随之消失。 GPI、SPHERE 和其他下一代仪器现在正在调查数百颗附近的年轻恒星，以寻找新形成的木星的红外光芒，希望能赶在这些难以捉摸的行星冷却之前捕捉到它们，以便最终了解大多数巨行星是如何形成的。
目前，这些行星家族的秘密仍然隐藏着。 由于 GPI 团队主要使用 51 Eridani b 的固有红外亮度来估计其大小和温度，因此关于它究竟有多大和多热仍然存在相当大的不确定性。 令人烦恼的是，这些值似乎落在了两种气态巨行星形成情景之间存在的狭窄灰色区域内。 要么 51 Eridani b 是有史以来直接成像的最小世界，在其自上而下诞生的余波中发光发热，要么它稍微更大更冷，不是破纪录者，但仍然是第一个可以证明是由自下而上形成的系外行星。 来自 GPI、SPHERE 和太空望远镜的进一步测量可能很快会提供确定性。 无论哪种方式，这一历史性的结果都将是朝着了解我们太阳系中最大的行星有多么特殊迈出的重要一步。