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(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org上刊載的一篇論文引發(fā)關(guān)注，美國(guó)哈佛大學(xué)史密森尼天體物理中心的天文學(xué)家羅珊娜·迪斯蒂法諾及其研究團(tuán)隊(duì)利用錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)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(WhirlpoolGalaxy)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(jì)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(nèi)到太陽系外，從銀河系內(nèi)再到銀河系外，人類探索遙遠(yuǎn)行星的腳步從未停止過。瑞典天體物理學(xué)家米歇爾·馬約爾和天文學(xué)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(yùn)行的行星，共同分享了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。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(xué)望遠(yuǎn)鏡難以直接觀測(cè)遙遠(yuǎn)天體

天體距離地球越遙遠(yuǎn)，就越難用望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)。此前，科學(xué)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(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授周禮勇解釋道，遙遠(yuǎn)處背景天體發(fā)出的光線會(huì)受處于前景的天體引力所影響，發(fā)生光線彎曲、光度增強(qiáng)等現(xiàn)象。在我們看來，遙遠(yuǎn)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(xiàng)發(fā)表在《天體物理學(xué)快報(bào)》上的研究宣稱，科學(xué)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(rèn)為是有效探測(cè)距地球遙遠(yuǎn)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(hào)的特征頻率推算出其質(zhì)量。“不過，行星引起的微引力透鏡現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，且無法重復(fù)，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(cè)的進(jìn)一步證實(shí)。”周禮勇說。

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

凌星法的本質(zhì)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(dòng)。就像太陽黑子、爆發(fā)等，這些都有可能形成被測(cè)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(yuǎn)，所以當(dāng)它們掠過宿主恒星表面時(shí)，如果行星半徑相對(duì)于恒星而言很小，我們很難在恒星的光變曲線中識(shí)別出凌星的信號(hào)。“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(nèi)行星，銀河系外行星距離地球更加遙遠(yuǎn)。“距離我們幾千萬光年的銀河系外，單個(gè)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(cè)到了。”周禮勇說。

突破口是忽強(qiáng)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(shí)際上，迪斯蒂法諾研究團(tuán)隊(duì)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(duì)大小的信息。”中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)副研究員陳果說。

所謂掩食法，即通過觀測(cè)恒星的光線變化情況來尋找行星。當(dāng)行星運(yùn)行到觀測(cè)者與恒星之間時(shí)，恒星亮度會(huì)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(nèi)的凌星觀測(cè)大多在光學(xué)和紅外波段進(jìn)行。“因?yàn)橐话愫阈禽椛涞腦射線較弱、輻射的可見光較強(qiáng)，而且X射線會(huì)被地球大氣吸收，用X射線掩食法進(jìn)行觀測(cè)就比較難。”周禮勇解釋道。

與可見光相比，X射線波長(zhǎng)短、能量高，更易穿透宇宙塵埃和氣體云團(tuán)。因此，迪斯蒂法諾研究團(tuán)隊(duì)關(guān)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(gè)大質(zhì)量恒星的遺骸(黑洞或中子星)構(gòu)成。后者巨大的引力能吸積伴星的物質(zhì)，在這個(gè)過程中，吸積盤會(huì)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?yàn)閄射線的發(fā)射區(qū)域集中在狹小的空間，行星經(jīng)過時(shí)，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(yuǎn)鏡捕捉到了一個(gè)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?nèi)踔敝翞榱?，然后重新出現(xiàn)。對(duì)這一信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算后，迪斯蒂法諾團(tuán)隊(duì)判定這是一顆行星導(dǎo)致的凌星現(xiàn)象。

實(shí)際上，X射線源變?nèi)跤肿儚?qiáng)，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(tuán)隊(duì)認(rèn)為，M51-ULS-1b不是白矮星或其他類型的恒星，因?yàn)檫@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(rèn)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(rèn)為銀河系外行星，還有多遠(yuǎn)的距離?

陳果坦言，“候選行星”只是眾多可能性中的一種，“探測(cè)到的光變又是孤立事件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到能夠確認(rèn)的程度”。

“實(shí)際上，首先要確認(rèn)的是這種光變特征是否能被重復(fù)觀測(cè);若能重復(fù)，它是否存在周期性。另外，用掩食法測(cè)出的是天體的相對(duì)大小。因此，被遮擋天體的尺寸估量是否準(zhǔn)確將會(huì)嚴(yán)重影響前方遮擋天體的尺寸確定。所以，這個(gè)天體是不是真的略小于土星的尺寸，也要打個(gè)問號(hào)。”陳果分析道，最好能通過其他技術(shù)手段限定這顆天體的質(zhì)量，才能對(duì)該天體是否是行星做出評(píng)估。

需要強(qiáng)調(diào)的是，這項(xiàng)研究還只是刊發(fā)在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv.org上，未經(jīng)過進(jìn)一步研究確認(rèn)。從候選行星到被確認(rèn)為銀河系外行星，尚需時(shí)日。

不過，研究團(tuán)隊(duì)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(nèi)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(tuán)隊(duì)能取得此次研究進(jìn)展，錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)鏡功不可沒。

1999年，美國(guó)發(fā)射錢德拉X射線天文望遠(yuǎn)鏡，歐洲發(fā)射XMM—牛頓衛(wèi)星，成為世界X射線天文學(xué)時(shí)代開啟的標(biāo)志性事件。作為我國(guó)自主設(shè)計(jì)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(biāo)定點(diǎn)凝視、小天區(qū)深度掃描、γ暴探測(cè)等多種探測(cè)模式于一身，不僅填補(bǔ)了我國(guó)空間X射線天文衛(wèi)星探測(cè)的空白，還能為我國(guó)科學(xué)家提供遙遠(yuǎn)宇宙中的天體的高靈敏度圖像。(實(shí)習(xí)記者 代小佩)

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