我問你,宇宙中恆星多過行星,還是行星多過恆星?
太陽系包含一顆恆星,八顆行星(冥王星的行星身份數年前已被摘下),如果這是宇宙常態,則行星肯定多過恆星。
然而,仰望星際,能以肉眼和望遠鏡看見的,除了金星、火星、木星等太陽系內的行星,其餘的盡是遠在宇宙深處的恆星。憑直接觀察,恆星遠遠多過行星。
不過,天上有超過 10^20(10 的 20 次方) 顆恆星,單是我們的太陽擁有行星,我不相信。
但是行星沒有自己的光源,其反射的光線又往往遭母恆星蓋過,舉個例子[1],最接近我們的恆星 Proxima Centauri,離我們 4.2 光年,觀察其行星(如果有的話)就像從北京望向新加坡,嘗試找尋一隻撲街燈的飛蛾。要知道哪一顆恆星有行星圍繞,不能靠直接觀察,可有其他方法?
行星繞着恆星公轉,給人的印象是只有行星在轉,恆星則呆在圓形的中心,靜止的。這看法並不完全正確,萬有引力是雙向的,行星受恆星牽引的同時,恆星也受行星牽引,與其說小的繞着大的兜圈,更正確的說法是兩者互相繞着對方兜圈,只不過一方的質量遠遠大於另一方(太陽是地球的三十萬倍以上),故重的一方移動遠較輕微,就像鏈球選手和鏈球,選手本人也在轉動,只是幅度遠較鏈球為小。如果能夠觀察恆星的輕微動態,或許我們可以推斷行星的存在。
天體測量學(astrometry)就是一門追蹤天體移動的科學,其歷史追溯至古希臘,在人類觀天史的地位不容置疑,但是一顆碩大無比的恆星給一個小如乒乓球的子行星拖拽咫尺之遙,在以光年計的距離之外,我們真的能夠觀察得到嗎?去年五月,有人用天體測量的方式發現,一顆離地球二十光年的恆星應該有顆子行星,若果屬實,這將會是有史以來首次以天體測量學發現「天外行星」(我自創的叫法,即太陽系以外的行星,洋稱 extra-solar planet 或 exoplanet)。可惜,同年十二月有人以其他方法嘗試查證,但找不到上述行星,未必代表行星一定不存在,但此發現的真確性顯然仍有爭議。可見,天體測量學作為一種發現天外行星的手段,雖然理論上可行,但實用性有待確定。
天體測量所追縱的,是恆星「上下左右」的二維動態,那「遠近」(或「前後」)的一維動態又怎樣?觀察「上下左右」未能確切發現天外行星,觀察「遠近」又有用嗎?「遠近」看似更難觀察,但是我們已經有一道萬試萬靈的板斧,就是「都卜勒效應」。當恆星向我們移近,它發出的光線波長會縮短;當恆星移離我們,波長則會增加。憑着光譜的變化,便知道恆星是在移向或移離我們。恆星受到子行星的微細牽引,必會出現輕微的「遠近搖晃」(天文學稱為 wobble),拜都卜勒效應所賜,我們能夠非常仔細地量度搖晃的幅度,從而推斷子行星的存在,這技術名叫「radial velocity」。至今發現超過四百顆天外行星,其中絕大部份都是 radial velocity 的功勞。不過,受制於一維的遠近資訊,此法只能告訴我們行星的質量下限和不完整的軌道特徵。想知多一點,怎辦?
便要等待子行星在我們眼前「出現」,等待其運行至母恆星與地球之間,形成類似日蝕的現象(天文學稱為 transit),我們便能藉其黑影知道其大小,再加上從 radial velocity 已得的資料,便能計算其實際質量、密度和完整的軌道;分析其大氣層的光譜,更能推測大氣的成份。Transit 的概念十分簡單,但執行上也不容易,假設有位外星人正在觀測太陽系,當木星(系內最大的行星)在太陽面前掠過,太陽的光度會減少 1%;當地球在太陽面前掠過,太陽的光度只會減少 0.01%[2];不要忘記,太陽在外星人的眼中,只是天上的一點。再者,和日蝕一樣,transit 的出現或多或少都要靠點運氣,如果天外行星的軌跡和地球的軌跡不是處在同一平面,transit 可能永遠不會出現,即使兩者同一平面,也要「撞正」天外行星劃過其母恆星,假如某行星運轉一周需時十年,我們可能要等足九年零九個月才可見到其 transit。
大部份已知的天外行星都是用 radial velocity 方式「發現」,再用 transit 方式「了解」,也有一些是先以 transit 方式發現,再用 radial velocity 方式作補充,兩者可謂相輔相成。由於 transit 不是經常出現,好些天外行星只是被發現,而無法被進一步了解。
說到這裡,又要說說愛恩斯坦,他真不愧為一代宗師,差不多任何物理學或天文學的討論都少不了他的份兒。根據相對論,質量會扭曲光線的路徑,當一顆恆星在另一顆恆星面前掠過,前者就會像一塊放大鏡般把後者的影像扭曲,這是經天文觀察証實過的。愛恩斯坦也曾預測,若果前面那顆恆星有顆子行星,那便好像有兩塊放大鏡(一大一細)一起劃過眼前,我們應該察覺。要以這個方法探測天外行星,條件是必須有一顆遠處的恆星作為「背景光源」,然後一顆較近的恆星及其子行星以一大一細放大鏡的姿態在「背景光源」面前掠過。這個安排必須「多方配合」,出現的機率比 transit 更小;事實上,愛恩斯坦認為出現的機會微乎其微。然而,在一個有超過 10^20(10 的 20 次方) 顆恆星的宇宙裡面,任何微乎其微的機會都會發生,至今有十顆天外行星就是用這叫 microlensing[3] 的技巧發現的。
上面提過的所有方法,除了 transit,都是百分百的間接觀測,以「旁敲側擊」推斷天外行星的存在。其實不用等待 transit 的直接觀察也不是沒可能,天文學家正在研究多種遮蓋或抵消母恆星光線的技術,希望直接找尋子行星。這類別尚在研究階段,暫無實質成果。
從 1995 年發現第一顆天外行星開始,這門「邊緣」天文學至今經已漸成主流;從最初只能發現大於木星的行星,到現在已能發現只大於地球數倍的行星(木星的質量是地球的 318 倍)。隨着儀器不斷改良,發現「第二個地球」可能指日可待。現時一般認為,最少十分之一的恆星擁有子行星;已發現子行星的星系之中,只有一顆行星的佔大多數,有三至四顆的也數不在少,儀器不斷改良,發現的行星只會愈來愈多。宇宙中究竟恆星多抑或行星多,大家不妨思考思考吧。
(2010 年 1 月 6 日 信報副刊)
References:
[1] 飛蛾的比喻來自 NASA 的 Planet Quest 網頁:
For example, if there were a planet orbiting Proxima Centauri, the nearest star, it would be 7,000 times more distant than Pluto. Trying to observe this planet would be like standing in Boston and looking for a moth near a spotlight in San Diego.
原本的比喻是用波士頓和聖地牙哥,為了符合香港讀者的日常認知,我改用距離相約的北京和新加坡。
[2] 來源:The detection and characterization of exoplanets, Physics Today, May 2009
[3] 來源:The detection and characterization of exoplanets, Physics Today, May 2009
相關連結:
The Extrasolar Planets Encyclopaedia
Apr 2007, Cosmos Magazine
Are we alone?
Sep 2009, Cosmos Magazine
New 'Drake equation' for alien habitats
Jul 2009, Supernova Condensate
How to spot exo-Earths...
Mar 2009, physicsworld.com
Brave new worlds
Nov 2009, physicsworld.com
Recipes for planet formation