50年前,一位天文学家发现了首颗明确的系外行星(或者他自认为如此)

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,仅反映作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点


1963年4月,在亚利桑那州图森市举行的美国天文学会会议上,彼得·范·德·坎普做出了本应是具有里程碑意义的声明。通过追踪一颗昏暗的、附近的恒星在夜空中的运动,他发现了一个看不见的物体在非常轻微地牵引这颗恒星并扰乱其运动——一颗系外行星,早在那成为家喻户晓的词语之前。引力扰动非常微妙,以至于在斯沃斯莫尔学院出生的荷兰天文学家范·德·坎普依靠近50年的望远镜观测来建立他的行星绕巴纳德星运行的论据。

第二天,这条新闻以“在距离太阳36万亿英里的地方发现了另一个太阳系”为标题出现在《纽约时报》上。文章指出,巴纳德星并不是天文学家首次发现轨道上有看不见的天体的地方。事实上,在之前的二十年里,范·德·坎普和他在斯沃斯莫尔的同事们也提出了类似的证据,证明有伴星围绕着另外两颗附近的恒星运行,这两颗恒星分别是天鹅座61和拉兰德21185。(附近的恒星在几十年时间尺度内在夜空中明显移动,这使得天文学家能够追踪它们的路径,以寻找任何偏离线性的迹象[参见上面的照片]。)

但是,据推测,天鹅座61和拉兰德21185的伴星质量非常大,以至于它们超出了行星的定义。最初估计,围绕天鹅座61运行的天体质量是木星的16倍,木星是我们太阳系中最大的行星;围绕拉兰德21185运行的伴星被认为质量超过木星的30倍,尽管这两个数字后来都被向下修正了。著名天文学家亨利·诺里斯·罗素在1943年写道:“从其内部组成来看,[围绕天鹅座61运行的天体]很可能像一颗恒星,并且与目前根据充分证据归因于主要行星的组成截然不同。”尽管如此,罗素还是得出结论,“行星”是这个巨大天体的可接受名称,因为天文学家在历史上一直以随意的方式使用这个术语;今天,我们更可能将这些天体称为“褐矮星”。


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相比之下,巴纳德星几乎没有留下语义争论的空间。范·德·坎普在那里探测到的天体质量只有木星的1.6倍。它显然是一颗行星。而且它的发现者是一位受人尊敬的专业人士。到1963年,范·德·坎普已经担任过国家科学基金会的天文学项目主任,并担任过美国科学促进会的副主席。在斯沃斯莫尔学院,他执教了四分之一个世纪,那里的天文台现在以他的名字命名,范·德·坎普以在校园放映他收藏的查理·卓别林电影选集时提供钢琴伴奏而闻名。

《纽约时报》的文章提醒说,围绕巴纳德星运行的世界可能非常寒冷且不适宜居住,但指出这一发现“增加了天文学家们坚信存在大量太阳系的信念,其中一些太阳系可能支持生命。”

五十年过去了,寻找宜居的、真正类地系外行星的搜索正在如火如荼地进行,行星系统很常见的信念已被证明是正确的。根据最新的数据,天文学家现在已经发现了近900颗系外行星,围绕着大约700颗不同的恒星运行,这些数据来自在线系外行星百科全书。但在已知的行星的庞大目录中,您不会找到天鹅座61、拉兰德21185或巴纳德星周围的世界的记录。这是因为,现在看来,它们并不存在。随着时间的推移,所有这些说法都在其他天文学家的审查下逐渐消失,将所谓的行星送入了天体废品堆。

看不到的“看到”

早期的行星说法持续了一段时间,也许是因为它们的发现者的声誉,也许是因为没有竞争的天文学家能够收集到与范·德·坎普自己的数据集相媲美的数据集,后者包含了数十年望远镜观测的数千张照片底片。但到了1970年代,新的证据开始对所有所谓的行星系统产生严重的怀疑。

1974年,匹兹堡大学的天文学家乔治·盖特伍德发表了一项研究,表明他自己的观测未能证实存在围绕拉兰德21185运行的行星。(奇怪的是,几十年后,盖特伍德宣布他的数据暗示在拉兰德21185周围存在另一个行星系统,但其他天文学家反过来也未能证实这些说法。)

大约在同一时间,斯沃斯莫尔学院的天文学家约翰·L·赫尔希发表了一项关于该学院斯普劳尔24英寸望远镜的长期观测可靠性的研究,范·德·坎普和他的同事们在那里收集了他们的大部分数据。赫尔希总结说,多年来望远镜镜头的变化在几颗恒星的视位置中引入了“一次或多次突然的微小变化”。范·德·坎普归因于行星的位置偏移,似乎可能有一个更平凡的解释。

事实上,在1978年,另一位斯沃斯莫尔学院的天文学家——范·德·坎普的继任者,斯普劳尔天文台的台长——发表了一份令人清醒的评估,评估了行星的说法。伍尔夫·迪特尔·海因茨回顾了巴纳德星的数据以及赫尔希记录的望远镜调整历史,得出的结论是“因此,有证据表明,[恒星]测量的非线性运动是由望远镜光学器件引起的,而不是由伴星引起的。”(盖特伍德和一位同事也未能证实存在围绕巴纳德星运行的行星。)至于天鹅座61,海因茨也发现证据不足。他写道,原始数据集“对于得出轨道效应存在的结论来说,基础相当薄弱……而目前更强大的数据更有可能表明这个结果是虚假的。”

到那时,已经出现了一些关于其他恒星周围可能存在未见轨道伴星的其他说法;海因茨驳斥了所有这些说法。他写道:“其他报告的低质量伴星案例看起来并不那么吉祥。”“现在没有任何观测证据表明存在质量低于已知质量最小的可见恒星的伴星。”

真实的事物

经过多次错误的开始,直到1992年——范·德·坎普在图森市宣布消息近三十年后——系外行星时代才真正开始。那时,现在在宾夕法尼亚州立大学的亚历山大·沃尔兹森和国家射电天文台的戴尔·弗雷尔发表了一项关于他们在脉冲星(一颗致密的、快速旋转的恒星遗迹)PSR 1257+12周围发现的奇异行星系统的研究。三年后,日内瓦天文台的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹发现了飞马座51b,这是已知的第一颗围绕普通类太阳恒星运行的系外行星。范·德·坎普有幸看到了第一项成就,但没有看到第二项。他于1995年去世,在麦耶和奎洛兹的历史性发现公之于众的六个月前,享年93岁。

尽管范·德·坎普在图森市的声明最终被证明不是一个里程碑,但巴纳德星——以及关于那里行星系统的说法——在五十年后仍然吸引着研究人员。

在今年1月,一个由该领域一些最杰出的系外行星研究人员组成的团队公布了他们自己试图证实或证伪范·德·坎普行星存在的结果。(似乎并没有被同事们的批评所吓倒,早在1982年,范·德·坎普就发表了一项关于巴纳德星运动的新分析,这次他论证了不仅存在一颗行星,而且存在两颗行星,每颗行星的质量都小于木星。)研究人员在《天体物理学杂志》中写道:“尽管对这些行星提出了重大质疑,包括范·德·坎普本人的一些质疑,但没有研究明确排除它们的存在。”

在这项研究中,现在是加州大学圣克鲁兹分校研究生的崔洁恩和她的同事们分析了来自夏威夷的凯克望远镜和加利福尼亚州里克天文台的数十年数据。研究人员在数据中搜寻了由轨道行星的引力牵引力引起的恒星摆动的证据。但是,范·德·坎普依靠的是天体测量学,即精确测量恒星在天空中的位置,而崔洁恩和她的同事们使用了径向速度测量,后者测量恒星朝向或远离地球的运动。天文学家现在可以探测到恒星径向速度的极其细微的变化——相当于人类的步行速度——并且已经设法将这些变化归因于数百个案例中的未见系外行星,包括飞马座51b[参见上面的图]。

范·德·坎普描述的行星会对巴纳德星产生相当大的拉力,从而在径向速度数据中产生波浪状的振荡。但是崔洁恩和她的同事们没有发现这样的信号。尽管如此,他们还是谨慎地赞扬了这位其工作被他们的研究驳斥的人。“彼得·范·德·坎普仍然是因其观测的细致、坚持和独创性而备受尊敬的天体测量学家之一,”研究人员写道。“但是现在几乎可以肯定的是,范·德·坎普的两颗假定行星并不存在。”

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