X射線不光能拍胸片還能找星星 為搜索系外行星提供新思路

9月25日，在預印本網(wǎng)站arXiv.org上刊載的一篇論文引發(fā)關注，美國哈佛大學史密森尼天體物理中心的天文學家羅珊娜·迪斯蒂法諾及其研究團隊利用錢德拉X射線天文望遠鏡獲得的數(shù)據(jù)，通過X射線掩食法在距離地球2800萬光年外的渦狀星系(Whirlpool Galaxy)中發(fā)現(xiàn)了一顆候選行星，這有望成為一顆新發(fā)現(xiàn)的銀河系外行星。據(jù)計算，這顆被命名為M51-ULS-1b的候選行星半徑略小于土星。

從太陽系內到太陽系外，從銀河系內再到銀河系外，人類探索遙遠行星的腳步從未停止過。瑞典天體物理學家米歇爾·馬約爾和天文學家迪迪埃·奎洛茲，就是憑借1995年首次在太陽系外發(fā)現(xiàn)一顆圍繞主序星運行的行星，共同分享了2019年諾貝爾物理學獎。這一次，研究人員如何發(fā)現(xiàn)這顆銀河系外的候選行星?發(fā)現(xiàn)這顆候選行星有什么意義?

光學望遠鏡難以直接觀測遙遠天體

天體距離地球越遙遠，就越難用望遠鏡直接觀測。此前，科學家尋找銀河系外行星的主要方法是利用微引力透鏡現(xiàn)象。

南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇解釋道，遙遠處背景天體發(fā)出的光線會受處于前景的天體引力所影響，發(fā)生光線彎曲、光度增強等現(xiàn)象。在我們看來，遙遠處的天體就像被“增亮”了，這種現(xiàn)象被稱為微引力透鏡現(xiàn)象。

2018年2月，一項發(fā)表在《天體物理學快報》上的研究宣稱，科學家首次發(fā)現(xiàn)銀河系外的一群行星，利用的就是微引力透鏡現(xiàn)象。

利用微引力透鏡現(xiàn)象一度被認為是有效探測距地球遙遠天體的唯一方法。周禮勇表示，通過觀察微引力透鏡現(xiàn)象，不僅可以確定銀河系外行星的存在，還能根據(jù)信號的特征頻率推算出其質量。“不過，行星引起的微引力透鏡現(xiàn)象轉瞬即逝，且無法重復，所以利用微引力透鏡現(xiàn)象觀察到的銀河系外候選行星，很難得到后續(xù)觀測的進一步證實。”周禮勇說。

而對于“不那么遙遠”的太陽系外行星，最常用的探測方法包括凌星法和徑向速度法。

凌星法的本質是研究行星凌星所造成的恒星亮度變化。但造成恒星亮度變化的因素不只有行星的遮擋(凌星)，還有可能來自恒星本身的活動。就像太陽黑子、爆發(fā)等，這些都有可能形成被測量恒星的光變曲線。

周禮勇也表示，系外行星距離地球比較遠，所以當它們掠過宿主恒星表面時，如果行星半徑相對于恒星而言很小，我們很難在恒星的光變曲線中識別出凌星的信號。“這就像尋找1000公里外路燈下的一只螢火蟲一樣難。”他說。

相較于銀河系內行星，銀河系外行星距離地球更加遙遠。“距離我們幾千萬光年的銀河系外，單個恒星本身已經(jīng)難以分辨，其行星的凌星就幾乎不可能觀測到了。”周禮勇說。

突破口是忽強忽弱的X射線

尋找銀河系外行星，凌星法真的無能為力嗎?

實際上，迪斯蒂法諾研究團隊所使用的X射線掩食法跟凌星法基本一致。“原理上都是一樣的，都能夠給出遮擋與被遮擋天體相對大小的信息。”中國科學院紫金山天文臺副研究員陳果說。

所謂掩食法，即通過觀測恒星的光線變化情況來尋找行星。當行星運行到觀測者與恒星之間時，恒星亮度會因行星的遮掩發(fā)生變化。如果這一變化存在周期性，那么我們就有可能利用掩食法追蹤到這顆行星的蹤跡。

銀河系內的凌星觀測大多在光學和紅外波段進行。“因為一般恒星輻射的X射線較弱、輻射的可見光較強，而且X射線會被地球大氣吸收，用X射線掩食法進行觀測就比較難。”周禮勇解釋道。

與可見光相比，X射線波長短、能量高，更易穿透宇宙塵埃和氣體云團。因此，迪斯蒂法諾研究團隊關注的就是X射線。

在銀河系之外，X射線主要源自X射線雙星系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由一顆普通恒星和一個大質量恒星的遺骸(黑洞或中子星)構成。后者巨大的引力能吸積伴星的物質，在這個過程中，吸積盤會釋放出X射線。“在這類系統(tǒng)的凌星現(xiàn)象中，X射線波段的亮度變化非常明顯，因為X射線的發(fā)射區(qū)域集中在狹小的空間，行星經(jīng)過時，甚至能將X射線發(fā)生區(qū)域完全遮住。”周禮勇告訴記者。

2012年，錢德拉X射線天文望遠鏡捕捉到了一個事件——在距離地球超過2800萬光年的渦狀星系中，X射線源逐漸變弱直至為零，然后重新出現(xiàn)。對這一信號進行分析和計算后，迪斯蒂法諾團隊判定這是一顆行星導致的凌星現(xiàn)象。

實際上，X射線源變弱又變強，原因可能有多種，比如存在另一顆小恒星(如白矮星)使X射線源黯然失色。但研究團隊認為，M51-ULS-1b不是白矮星或其他類型的恒星，因為這片區(qū)域的雙星系統(tǒng)太年輕，此類物體無法在附近演化。研究人員排除了另一顆恒星阻擋X射線源的可能，認為這是銀河系外的一顆候選行星。

為搜索系外行星提供新思路

從候選行星到被確認為銀河系外行星，還有多遠的距離?

陳果坦言，“候選行星”只是眾多可能性中的一種，“探測到的光變又是孤立事件，遠遠達不到能夠確認的程度”。

“實際上，首先要確認的是這種光變特征是否能被重復觀測;若能重復，它是否存在周期性。另外，用掩食法測出的是天體的相對大小。因此，被遮擋天體的尺寸估量是否準確將會嚴重影響前方遮擋天體的尺寸確定。所以，這個天體是不是真的略小于土星的尺寸，也要打個問號。”陳果分析道，最好能通過其他技術手段限定這顆天體的質量，才能對該天體是否是行星做出評估。

需要強調的是，這項研究還只是刊發(fā)在預印本網(wǎng)站arXiv.org上，未經(jīng)過進一步研究確認。從候選行星到被確認為銀河系外行星，尚需時日。

不過，研究團隊提供了一種搜索行星的新思路。“主要是搜索方法上的啟發(fā)，也許X射線掩食法也可以用于銀河系內行星的搜索。”周禮勇說。

工欲善其事，必先利其器。迪斯蒂法諾團隊能取得此次研究進展，錢德拉X射線天文望遠鏡功不可沒。

1999年，美國發(fā)射錢德拉X射線天文望遠鏡，歐洲發(fā)射XMM—牛頓衛(wèi)星，成為世界X射線天文學時代開啟的標志性事件。作為我國自主設計研制的首顆大型X射線天文衛(wèi)星，“慧眼”在2017年6月15日成功發(fā)射。“慧眼”集全天球掃描、目標定點凝視、小天區(qū)深度掃描、γ暴探測等多種探測模式于一身，不僅填補了我國空間X射線天文衛(wèi)星探測的空白，還能為我國科學家提供遙遠宇宙中的天體的高靈敏度圖像。(代小佩)