專業 物理

系外行星前傳

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撰文者:葉永烜(國立中央大學天文研究所)
發文日期:2020-01-27
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  • 2019年的諾貝爾物理獎是頒發給三位天文學家。加拿大籍在美國普林斯頓大學任教詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles) 以他在宇宙論的重要供獻分到一半獎金。其它一半則由瑞士籍原為兩師徒的米歇爾·麥耶(Michel Mayor) 和迪迪爾·奎洛茲(Didier Queloz)  分享(圖一)。麥耶久在瑞士日內瓦大學任教,而奎洛茲則是英國劍橋大學和日內瓦大學的教授。瑞典皇家科學院公佈時的說明說「發現一個太陽類型的恆星的行星」是他們二人得獎的原因。因為這個發現,人類對地球(和自己本身)在宇宙中的位置也從此改變。

     
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    圖一: 麥耶和奎洛茲在2005年的合照。圖片來源:EPA-EFE



    在16世紀的意大利哲學家 喬爾丹諾·布魯諾 (Giordano Bruno ) 因為倡言宇宙中還有其它恆星被行星環繞,這些行星又會有生物在上生活,而在1600年被教廷判死,綁在木柱上活活燒死。在今天麥耶和奎洛茲則因發現第一個系外行星,進而得到學術界的最高榮譽。一如諾貝爾基金會所說,他們的發現把人類的世界觀完全改變了。這是何等重要的一件事!另一件值得一提的事便是以前有關天文學的諾貝爾物理獎,都是因為與基礎物理有絕大關連。這包括1974年的中子星的發現,1993年的脈衝星雙星系統和重力波,2002年的中微子,2006年的宇宙黑體輻射,2011年的暗能量,以及2017年的重力波。但這次卻是最古典和不折不扣的天文學觀測工作。
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    圖二:「飛馬座51」恆星的光譜譜綫的週期變化,顯示它有一個木星質量的系外行星。圖片來源:Mayor and Queloz (1995). 

     


    圖二是麥耶和奎洛茲在1995年發表在「自然」的論文的插圖,描述第一個系外行星是如何被發現的 [1]。他們測量質量為太陽質量1.11倍的恆星「飛馬座51」(51 Pegasus)的可見光光譜,經過資料䖏理和分析,發現這個恆星的光譜譜線波長存着非常有趣的小幅度週期變化。可以解釋為它和另一個星體組成一個雙星系統,彼此環繞着共同質心旋轉。圖一所示的 Vr 便是從恆星光譜譜綫的紅移和藍移效應所計算得到的徑向速度。再從光譜譜綫的變化週期以及恆星的質量,便可以推導出第二個星體「飛馬座51b」的軌道半徑  a =0.052 AU (天文單位)以及質量mp Sin ( i ) = 0.47 mJ (木星質量)。因為我們不知道「飛馬座51b」的軌道面相對於觀察視線的夾角(i), 所以我們只能説它的質量最小為 0.47 mJ,但也可能更大。如果用平均值〈i〉= 45。,則 mp 可能是0.67 mJ。這篇獲得諾貝爾奬的文章題目也因此叫做「一個太陽類型的恆星的木星質量行星」。這個結果一經發表便引起天文學界和科學界翻天覆地的反應。發展到今,系外行星研究已經成為天文學中最為蓬葧發展和充滿活力的課題之一。

    但這個可謂是一個名垂千古的創舉,並沒有用到相對論,也不用量子力學,只是依賴克普勒定律和簡單的牛頓力學。那麥耶的奎洛茲的成功秘訣在那?明顯看到的有二:第一是堅定不移的研究方向,第二是細心,即所謂「魔鬼躲在細節裏」。麥耶本來的研究重心是在雙星系統。他和迪凱努瓦 (A. Duquennoy )在1991年關於雙星系統軌道參數的統計工作便是經典之作(引用次數2266次)[2]。因為這種研究需要精細的光譜觀察數據,所以麥耶研究小組亦專門於高分解率的光譜儀研制和測量工作,越做越精細和準確,並且用對地方。我們常說重要的科學發現往往是事先未有料到的。但說麥耶和奎洛茲的「飛馬座51b」大發現是無心插柳柳成陰,也不盡然。在1988年麥耶在一個會議便有一個報告,題目是「在太陽系外會有另一個巨行星嗎?」[3] 。 因為除了題目外,摘要都沒有,所以不知道麥耶在那時是否已經認真思考這個可能性,或只是輕描淡寫的説說。(我們可以猜一猜他的答案)。

    麥耶和奎洛茲的發現難得之處,在於粉碎了我們對行星系統構造的傳統想法。在1995年之前,我們都是以自己本身的太陽系作為範例,即是由火星、金星、地球大小的石質類地行星和木星、土星、天王星、海王星等氣態類木行星組成。為了解釋這樣的結構,對太陽系從分子雲的塌縮成為太陽星雲,以致不同化學成份的物質會在那個軌道距離凝固,由此提供原行星積生的建構組元,都建立了很詳細的標準模型。所以總是認為體積小的石質行星繞着中心恆星的公轉週期是幾十天到一、兩年,而體積和質量如木星的氣的行星的公轉週期則是數年到數十年之久。這種需要長期測量和極高精密度的天文觀察因此是一個難題。誰都不會想到氣體巨行星會跑到只有幾天(或者更短)公轉周期的軌道。這種系外行星受到很強烈的恆星輻射,表面大氣溫度比我們太陽系的木星要高很多,有的甚至在大量大氣逃逸情況中,所以叫做熱木星。基本上這種比地球質量要大上百倍或千倍的氣體行星的形成位置,應該離中間(太陽類)恆星最小幾個天文單位以及其溫度低到足讓水冰凝固。接着「天馬座51b」的出現,不少熱木星也陸續被發現,各種各樣的理論亦被提出用來解釋它們的來源。其中包括由於行星與吸積盤的角動量可以以讓外周的行星軌道收縮,進入其太陽系的內部或者接近恆星的區域 [4]。 另一個理論模型則是指出在行星系統形成期間,有些相隣的行星,因為互相重力作用的擾動會使彼此軌道產生鉅大變化,原本圓形的軌道變成離心率很大的橢圓軌道[5]。由於角動量守恆所以其中有些會給彈射到遠䖏,在極端情況下,有些行星還會逃離太陽系在銀河星系中流浪!有些卻遷移到內行星的空間,再因與中間恆星的潮夕作用而把離心率變小。這個動力過程符合有關木星質量的系外行星觀察結果。


    當這一切都尚未發生之前,在NASA 艾 姆斯(Ames)研究中心的研究員威亷斯·博魯奇(William Borucki) 已在思考如何能夠偵察到系外行星的可能存在。他提議的方法是用測光儀紀錄恆星的亮度變化。如果一個糸外行星的軌道剛巧切過中間恆星的盤面,便會產生週期性的短暫掩星現象(圖三)。博魯奇本來要找的是環繞太陽類恆星及地球大小的行星,因此掩星現像的亮度變化幅度大概只有萬分之一左右。為了減除大氣的閃爍效應和噪音以及保存準確度,必需要用一個太空望遠鏡作為觀察平台。博魯奇在1992/1993年間便開始向NASA提出建議方案 [6],但因為技術和經費問題屢被退回。還有人打落水狗說每個人都知道這是一個餿主意。這要等到「飛馬座51b」的發現,NASA才回心轉意支持這個計畫。這便是在2009年成功發射入軌的克普勒太空望遠鏡計劃了 [7]。雖然在2009年前,地面望遠鏡和一些小型太空望遠鏡如COROT等,都已經進行掩星現象的測量,並且找到一些系外行星。但當克普勒望遠鏡一上線,由於它的精準測光能力和連續不斷的觀察資料,系外行星的掩星發現工作,基本是由其獨領風騷。到今已有4千多個確定和尚待查証的系外行星被發現,其中更不乏含有多個成員的太陽系 [8]。博魯奇因此也得到很多重要的奬項,其中包括2015年的邵逸夫天文獎,可謂實致名歸。

     
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    圖三:系外行星的掩星現象可以產生中間恆星亮度曲繞的週期變化。圖片來源:Wikipedia


    圖四是現日所知的系外行星的質量和軌道半徑的分佈統計圖。紅圈表示用光譜徑向速度方法發現者;綠圈則是用掩星方法發現者。由此可以見到光譜測量比較擅長於找到週期比較大(P>100天)的木星質量巨行星,而測光方法所找到的則是週期比較短者(P<100天)。這個短週期限制是由於克普勒太空望遠鏡任務基本上只有4年的亮度曲綫觀察資料,不足以用來確認公轉週期長的掩星現像。在圖四左邊P<10天的系外行星,因為吸受大量的恆星輻射,表面都非常熾熱。氣體巨行星便是「熱木星」,體積如海王星的,內部的冰層可能都溶化成一片汪洋,所以稱為「海洋行星」。致於石質行星,表面的石頭和金屬都熔化,成為所謂「熔岩行星」了。但現在最引科學家興趣的是繞着低質量恆星繞轉、公轉週期在幾十天到兩年的「超級地球」 [9]。「超級地球」的定義是10個地球質量以下的石質行星,質量再大的便可能成為含有大量氣體的海王星類行星。行星表面溫度與中間恆星的輻射能量和軌道距離有關,如果這些「超級行星」的表面溫度不會太冷或太熱,可以讓水以液態方式存在,那生物圈可能在上滋生。這個軌道區域便叫做「適居帶」 [10]。以我們自身的太陽系為言,金星和火星的軌道便是「適居帶」的內、外邊界,而地球便恰巧在其中。要瞭解生命起源以及追尋系外生命和生物圈(甚致高等科技文明),目標便要放在軌道位置在適居帶的「超級地球」。
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    圖四:已知系外行星質量和公轉週期的分布圖。圖片來源:NASA Exoplanet Archive.


    圖五是把各類恆星的適居帶作一比較。由於恆星亮度與質量成正比例,適居帶範圍的大小亦會有相應的變化。比喻說M-類恆星的適居帶距離使遠小於一個天文單位,而公轉週期也只有10天。事實上「適居帶」這個名詞和定義是由黃綬書教授在1959年首次提出 [11]。他在論文中考慮太陽系外其它恆星的行星會不會也有生命的存在。但在結論他又有奌可惜的說最靠近太陽系,距離只有4.3光年的半人馬三星系統,因為它們的離心率很大,所以不會有穩定的生物適居帶。跟據最近的一個光譜觀察工作,其中的紅矮星半人馬座α星C又稱比隣星(Proxima Centauri α)的適居帶具有一個質量是1.3地球質量的系外行星 [12] 。又引起新一波的天文研究熱潮。這也是為什麼在將來10年內進行的系外行星太空望遠鏡計畫,例如TESS, PLATO及ARIEL, 都集中注意力在離太陽系不遠的系外行星。這是因為如果找到近距離的適居帶超級地球,我們便可以用地面上的超大型(20-40公尺口徑)望遠鏡,以及新一代太空望遠鏡作詳盡的觀察,把它們的物理、化學、甚致生物特徵仔細研究,探討有沒有生命的跡像。即 使沒有生物圈的存在,這些觀測資料都可以告訴這些系外行星的來源和演化。
     
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    圖五:各類恆星適居帶的示意圖。圖片來源:http://astrobites.org/2014/04/25/cloudy-with-a -chance-of-habitability/
     

    在獲得諾貝爾獎後,奎洛茲接受訪問説在30年內,可期人類會找得外星生命的記據。因為宇宙中都有同樣的物理化學和生物學原理,所以沒有理由只有地球會出現生物圈。這讓我回憶起一件事,便是在麥耶和奎洛茲發現系外行星之後不久,一些參加NASA伽利略木星任務的科學家得安排訪問羅馬梵蒂岡教廷,和教宗若望保祿六世握手致意。當時在紐約石溪大學的托比·歐文(Toby Owen) 教授和我亦在其中。慣例是和教宗見面時,雖然只有短短10到20秒的時間,每個人都會向他訴說心願,祈求祝福。訪問結束後,我問歐文 他向教宗說什麽,他說他請求教宗替布魯諾平反,因為系外行星終於被証實是存在的。這是四百年前的事,難得還有人耿耿於懷。

    最後一件事便是文中到此比較多描述麥耶的硏究工作和科學貢獻,對奎洛茲較少著墨。這是因為麥耶是奎洛茲的指導教授,自然在飛馬座51b發現之前,便已有相當學術成就。在1993年得到諾貝爾生醫奬的理查.羅伯茲(Richard Roberts )教授寫了一篇半認真半開玩笑的文章,列出十條得獎捷徑的規則 [13]。其中包括家庭成員曾經得獎,或者指導教授曾經得獎。但更讚的便是指導教授將來會得獎。諾貝爾獎的歷史亦顕示師徒組合的研究團隊確有比較高的比例。在物理領域,1987年諾貝爾獎研究高溫超導的亞歷克斯·穆勒(Alex Mueller)和喬治·貝德諾茲(Georg Bednoz),以及今年的麥耶和奎洛茲小組便是好例子。原因是一個經驗豐富的識途老馬,加上一個越挫越勇的初生之犢,往往是創做科學突破的夢幻組合。所以羅伯茲教授在被問及他希望他的學生會有何種特質時,答說聰明敏銳是一回事,但更重要的是要有熱忱 [14]。因為在競爭激烈的科學界,每個人都是沒日沒夜的在拼,必然要有熱忱,才能夠想盡辨法去克服困難和瓶頸,爭取卓越成果。才有機會對人類社會和世界文明做出不朽的貢獻。這是諾貝爾奬的精神和理念。說不定其在其他太陽系也有同樣的精神和理念。


    *本文部份材料取自在2019年10月30日在國立清華大學物理系同名之演講


    [1] Mayor, M. and Queloz, D. (1995) A Jupiter-mass companion to a solar-type star, Nature, 378, 355.
    [2] Duquennoy, A. and Mayor, M. (1991) Multiplicity among solar-type stars in the solar neighbourhood II. Distribution of the orbital elements in an unbiased sample, Astron. & Astrophys., 248, 485.
    [3] Mayor, M. (1988) A giant planet beyond the solar system? Recherche, 19, No. 205, p. 1530-1531.
    [4] Lin, D.N.C., Bodenheimer and Richardson, D.C. (1996) Orbital migration of the planetary companion of 51 Pegasi to its present location, Nature, 380, 606.
    [5] Weidenschilling, S.J. and Marzari,F. (1996) Gravitational scattering as a possible origin for giant planets at small stellar distances, Nature, 384, 619.
    [6] Borucki, W.J., Koch, D., Dunham, E. et al. (1993) Progress in the photometric search for extrasolar planets, American Astronomical Society, 25th DPS Meeting, Abstract ID 33.17-P.
    [7] Borucki, W.J.., Koch, D., Basri, G., et al. (2010) Kepler planet-detection mission: Introduction and first results, Science, 327, 977.
    [8] Borucki, W.J. (2017) Kepler: A brief discussion of the mission and exoplanet results, Proc. Amer. Phil. Soc., 161, 38. 
    [9] Kaltenegger. L. (2017) How to characterize habitable worlds and signs of life, Ann. Rev. Astron. Astrophys., 55, 433.
    [10] Kasting, J. F., Whitmire, D.P. and Reynolds, R.T., Habitable zones around main sequence stars, Icarus, 101, 108.
    [11] Huang, S.S., Occurrence of life in the universe, Am. Sci., 47, 397.
    [12] Anglada-Escude, G., Amado, P.J., Barnes, J., et al., A terrestrial planet candidate in a temperate orbit around Proxima Centauri, Nature, 536, 437.
    [13] Roberts, R.J. (2015) Ten simple rules to win a Nobel prize, PLoS Comput Biology, 11(4):e1004084. doi:10.1371/journal.pcbi.1004084.
    [14] https://www.youtube.com/watch?v=iEtoDeVcZC4



     
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