恒星的速度变化只有每秒几十米
1995 年,Michel Mayor 和 Didier Queloz 在飞马座五十一号的星光里找到一个重复节拍。这颗与太阳大体相似的恒星,一会儿更靠近我们,一会儿又退远,速度变化的半振幅约每秒五十九米,相当于时速两百多千米。速度并不陌生,隔着星际距离把它量出来却很不容易。一个来回只要四点二三天。
他们认为,一颗看不见的伴星正拉着恒星,双方绕共同重心转动。伴星至少有约半个木星那么重,却比水星离太阳还近得多。巨行星与短周期凑到一起,让熟悉太阳系的人颇感意外。
团队在十月公布发现,论文于 1995 年十一月二十三日刊登在《自然》。它找到的是绕类太阳恒星运行的首颗确认行星;绕脉冲星运行的行星,早在 1992 年就已有报告。
几千条暗线一起移动
仪器是法国上普罗旺斯天文台的 ELODIE 光谱仪,光纤把恒星光送进去,再按波长展开。恒星大气中的原子吸收特定波长,光谱上便留下许多暗线。恒星朝向我们时,整套暗线向短波移动;远离时,向长波移动。
这叫多普勒效应,和救护车靠近时警笛音调升高是同一种基本思路,只是这里量的是光。位移很小,单看一条线会浪费大量信息。分析把约五千条吸收线的位置信息汇在一起,形成一个更便于精量的平均特征。
光谱仪自己的一点移动,也可能冒充恒星在动。团队用校准灯监看曝光期间的仪器变化,光纤则帮助稳定入射光。论文还比较巡天里看来稳定的恒星,检查仪器零点,未找到足以解释这个信号的漂移。
仪器量到的是沿视线方向的速度。行星可以被恒星光淹没,只要它的引力能让恒星动,星光就替它报出了这个来回。
来源:[1]
隔了几个月,节拍还在
对这颗星的观测始于 1994 年九月。1995 年一月,团队先拟合出短周期轨道,七月和九月又连续多晚追踪。把不同日期放到四点二三天周期的对应位置,速度升降会重新排成同一条曲线。
原论文表一采用圆轨道解,周期为四点二二九三天,速度半振幅为每秒零点零五九千米,并分别给出拟合误差。三十五次测量围绕曲线的残差散布约每秒十三米。从最负速度到最正速度的全幅,要把半振幅乘二。
星斑随恒星旋转、恒星大气自己运动,也可能带来表观速度变化。Mayor 和 Queloz 比较了这颗星很低的活动水平与预期自转周期。后来的研究还细看谱线形状,检验暗线是否整齐平移,或只是被大气运动扭歪。行星解释经受了这些后续检查。
论文修订时补记,十月公布后,其他天文台也独立确认了速度周期。相同节拍从不同仪器里回来,单台光谱仪的毛病便更难解释它。
速度先称出最低质量
恒星和行星都绕共同重心运动。重的恒星走一个小圈,轻的行星走一个大圈。量出恒星速度与周期,再采用一个恒星质量,牛顿引力就能把运动同伴星质量联系起来。
径向速度还藏着一个观察角度问题。轨道近乎侧对我们时,恒星运动有很大一部分朝向或远离地球;轨道更接近正面时,许多运动藏在天空平面里。若倾角更小,却仍要造成同样的视线速度,伴星就必须更重。
原论文给出的最低质量为零点四七个木星质量,误差为零点零二个木星质量。“最低”二字不能省,它对应最有利的侧向观察角度。论文也借助恒星自转等额外假设讨论质量上限,那些信息超出了速度周期本身。
来源:[1]
紧贴恒星的巨行星改变了寻找方式
轨道间距约零点零五天文单位,也就是八百万千米左右。一个天文单位是地球到太阳的平均距离。在这么近的地方,一年只过四天,行星受到强烈加热。这类近距离气体巨行星后来被称为热木星。
这个发现鼓励天文学家放宽寻找的眼光,不再先要求别的行星系统照着太阳系排布。它也留下形成问题:巨行星怎样来到如此紧的轨道?速度曲线给出当下的运动,形成与迁移还要靠其他理论和观测继续研究。
2019 年,Mayor 与 Queloz 因发现绕类太阳恒星运行的系外行星获诺奖。暗弱行星即使无法在图像里单独分开,也能拉动恒星,让星光报告它的质量与轨道。