編者按：天文學家今天正式宣佈，使用新的雙子座行星成像儀發現了系外行星 51 Eridani b。51 Eridani b 是一顆年輕的、富含甲烷的氣態巨行星，是持續尋找太陽系外類木星世界的一個里程碑。該團隊的研究結果發表在《科學》雜誌上Science。 《大眾科學》在六月份首次報道了這一發現，當時研究人員在一次小型科學會議的公開演講中披露了 51 Eridani b 的存在和細節。以下是當時的報道。 要了解有關雙子座行星成像儀和突破性地拍攝遙遠系外行星的努力的更多背景資訊，請閱讀《大眾科學》的專題報道，窺探外星木星競賽內幕。
天文學家首次拍攝到一顆年輕的系外行星的照片，這顆行星在軌道和大小上都類似於我們太陽系中最大的行星木星。 這顆名為 51 Eridani b 的行星是由新一代行星探測儀器承諾帶來的一系列發現中的第一個，可能有助於科學家解開木星和其他氣態巨行星如何形成和塑造其行星系統的秘密。
51 Eridani b 於 2014 年 12 月使用新安裝在智利雙子座南方望遠鏡上的雙子座行星成像儀 (GPI) 發現，可能很快將被確認為迄今為止最小的直接成像系外行星。 這一發現於昨天在加拿大蒙特利爾舉行的“In the Spirit of Lyot”天文學會議上，由 GPI 首席研究員、斯坦福大學天文學家布魯斯·麥金託什在一次演講中宣佈。 他和其他 GPI 團隊成員拒絕就此報道發表評論。 他們已向《科學》雜誌提交了一篇詳細介紹其發現的論文，該雜誌有嚴格的規定，禁止作者在出版前公開資料。
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這顆新的系外行星圍繞著位於波江座的類太陽恆星 51 Eridani 執行，距離地球約 96 光年。 麥金託什和他的團隊估計，51 Eridani b 的質量是木星的兩倍，距離其恆星的距離是木星的 2.5 倍。 然而，與我們熟悉的、大約 45 億年曆史且雲頂溫度為寒冷的零下 145 攝氏度的氣態巨行星不同，51 Eridani b 更年輕、更熱——不超過 2500 萬年，富含甲烷的雲層溫度接近 400 攝氏度。
51 Eridani b 剛剛從形成過程中冷卻下來，像行星大小的燈泡一樣在紅外線下發光，這就是 GPI 團隊能夠從近 100 光年外瞥見它的原因。 他們拍攝的這顆行星的影像本質上是一張嬰兒照片。 儘管這顆巨大的系外行星如此年輕和遙遠，但它是天文學家迄今為止見過的最接近木星的“表親”。
難以捉摸的類木星
在過去的二十年中，天文學家透過更間接的方式發現了數千顆系外行星，觀察到看不見的世界導致它們所環繞的恆星發生擺動、變暗或變亮。 這些探測技術對於尋找靠近恆星、公轉週期以天或月為單位的系外行星最為有效。 像木星這樣的行星，它圍繞太陽的公轉週期為 12 年，可能只有經過數十年的此類間接觀測後才會出現。
行星獵人實際上只看到了少數系外行星，這是一項更加困難的任務，需要地球上最強大的望遠鏡上的先進儀器。 在 51 Eridani b 之前，所有直接成像的世界都是質量是木星數倍的氣態巨行星，其中許多都非常巨大，以至於它們延伸了行星的定義，更像是縮小的、失敗的恆星。 大多數潛伏在其系統的外邊緣，遠離其恆星的耀眼光芒。
與這些超大型、遙遠、有些像恆星的世界相比，類木星行星是矮小的侏儒，緊貼著它們的太陽。 這將它們置於可以被認為是行星探測的“死區”：離它們的恆星太遠，無法透過間接手段快速找到，又太近而難以直接成像。 這就是為什麼即使經過二十年的爆炸式系外行星發現，天文學家仍然只是模糊地感覺到這些外星木星有多麼普遍，以及像我們這樣的行星系統在宇宙中其他地方出現的頻率有多高。 人們認為，木星巨大的體積在其嬰兒期塑造了我們的太陽系，引導了其他胚胎世界的形成和軌道演化，甚至可能為年輕的地球播下了水、有機化合物和其他生命必需成分的種子。 如果沒有木星，我們的星球甚至我們自己很可能都不會存在。
自下而上還是自上而下？
因此，天文學家不僅希望瞭解外星木星有多麼普遍，還希望瞭解它們最初是如何產生的。 GPI 和類似的設施，特別是歐洲南方天文臺新的光譜偏振高對比度系外行星研究儀器 (SPHERE)，是為回答這個問題而專門建造的。 所有行星都誕生於圍繞恆星旋轉的氣體和塵埃盤中，但這種環境為巨行星的形成提供了兩種不同的途徑——要麼是自下而上，透過越來越大的物質塊的逐漸聚集，要麼是自上而下，透過冷氣體團的直接、快速引力坍縮。
氣體快速坍縮形成自上而下的世界，會在新生巨行星內部捕獲大量熱量，導致其在最初的 1 億年裡應該比自下而上形成的行星更熱更亮。 最終，新生行星冷卻下來，它們火熱誕生的記錄也隨之消失。 GPI、SPHERE 和其他下一代儀器現在正在調查數百顆附近的年輕恆星，以尋找新形成的木星的紅外光芒，希望能趕在這些難以捉摸的行星冷卻之前捕捉到它們，以便最終了解大多數巨行星是如何形成的。
目前，這些行星家族的秘密仍然隱藏著。 由於 GPI 團隊主要使用 51 Eridani b 的固有紅外亮度來估計其大小和溫度，因此關於它究竟有多大和多熱仍然存在相當大的不確定性。 令人煩惱的是，這些值似乎落在了兩種氣態巨行星形成情景之間存在的狹窄灰色區域內。 要麼 51 Eridani b 是有史以來直接成像的最小世界，在其自上而下誕生的餘波中發光發熱，要麼它稍微更大更冷，不是破紀錄者，但仍然是第一個可以證明是由自下而上形成的系外行星。 來自 GPI、SPHERE 和太空望遠鏡的進一步測量可能很快會提供確定性。 無論哪種方式，這一歷史性的結果都將是朝著瞭解我們太陽系中最大的行星有多麼特殊邁出的重要一步。