50年前,一位天文學家發現了首顆明確的系外行星(或者他自認為如此)

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1963年4月,在亞利桑那州圖森市舉行的美國天文學會會議上,彼得·範·德·坎普做出了本應是具有里程碑意義的宣告。透過追蹤一顆昏暗的、附近的恆星在夜空中的運動,他發現了一個看不見的物體在非常輕微地牽引這顆恆星並擾亂其運動——一顆系外行星,早在那成為家喻戶曉的詞語之前。引力擾動非常微妙,以至於在斯沃斯莫爾學院出生的荷蘭天文學家範·德·坎普依靠近50年的望遠鏡觀測來建立他的行星繞巴納德星執行的論據。

第二天,這條新聞以“在距離太陽36萬億英里的地方發現了另一個太陽系”為標題出現在《紐約時報》上。文章指出,巴納德星並不是天文學家首次發現軌道上有看不見的天體的地方。事實上,在之前的二十年裡,範·德·坎普和他在斯沃斯莫爾的同事們也提出了類似的證據,證明有伴星圍繞著另外兩顆附近的恆星執行,這兩顆恆星分別是天鵝座61和拉蘭德21185。(附近的恆星在幾十年時間尺度內在夜空中明顯移動,這使得天文學家能夠追蹤它們的路徑,以尋找任何偏離線性的跡象[參見上面的照片]。)

但是,據推測,天鵝座61和拉蘭德21185的伴星質量非常大,以至於它們超出了行星的定義。最初估計,圍繞天鵝座61執行的天體質量是木星的16倍,木星是我們太陽系中最大的行星;圍繞拉蘭德21185執行的伴星被認為質量超過木星的30倍,儘管這兩個數字後來都被向下修正了。著名天文學家亨利·諾里斯·羅素在1943年寫道:“從其內部組成來看,[圍繞天鵝座61執行的天體]很可能像一顆恆星,並且與目前根據充分證據歸因於主要行星的組成截然不同。”儘管如此,羅素還是得出結論,“行星”是這個巨大天體的可接受名稱,因為天文學家在歷史上一直以隨意的方式使用這個術語;今天,我們更可能將這些天體稱為“褐矮星”。


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相比之下,巴納德星幾乎沒有留下語義爭論的空間。範·德·坎普在那裡探測到的天體質量只有木星的1.6倍。它顯然是一顆行星。而且它的發現者是一位受人尊敬的專業人士。到1963年,範·德·坎普已經擔任過國家科學基金會的天文學專案主任,並擔任過美國科學促進會的副主席。在斯沃斯莫爾學院,他執教了四分之一個世紀,那裡的天文臺現在以他的名字命名,範·德·坎普以在校園放映他收藏的查理·卓別林電影選集時提供鋼琴伴奏而聞名。

《紐約時報》的文章提醒說,圍繞巴納德星執行的世界可能非常寒冷且不適宜居住,但指出這一發現“增加了天文學家們堅信存在大量太陽系的信念,其中一些太陽系可能支援生命。”

五十年過去了,尋找宜居的、真正類地系外行星的搜尋正在如火如荼地進行,行星系統很常見的信念已被證明是正確的。根據最新的資料,天文學家現在已經發現了近900顆系外行星,圍繞著大約700顆不同的恆星執行,這些資料來自線上系外行星百科全書。但在已知的行星的龐大目錄中,您不會找到天鵝座61、拉蘭德21185或巴納德星周圍的世界的記錄。這是因為,現在看來,它們並不存在。隨著時間的推移,所有這些說法都在其他天文學家的審查下逐漸消失,將所謂的行星送入了天體廢品堆。

看不到的“看到”

早期的行星說法持續了一段時間,也許是因為它們的發現者的聲譽,也許是因為沒有競爭的天文學家能夠收集到與範·德·坎普自己的資料集相媲美的資料集,後者包含了數十年望遠鏡觀測的數千張照片底片。但到了1970年代,新的證據開始對所有所謂的行星系統產生嚴重的懷疑。

1974年,匹茲堡大學的天文學家喬治·蓋特伍德發表了一項研究,表明他自己的觀測未能證實存在圍繞拉蘭德21185執行的行星。(奇怪的是,幾十年後,蓋特伍德宣佈他的資料暗示在拉蘭德21185周圍存在另一個行星系統,但其他天文學家反過來也未能證實這些說法。)

大約在同一時間,斯沃斯莫爾學院的天文學家約翰·L·赫爾希發表了一項關於該學院斯普勞爾24英寸望遠鏡的長期觀測可靠性的研究,範·德·坎普和他的同事們在那裡收集了他們的大部分資料。赫爾希總結說,多年來望遠鏡鏡頭的變化在幾顆恆星的視位置中引入了“一次或多次突然的微小變化”。範·德·坎普歸因於行星的位置偏移,似乎可能有一個更平凡的解釋。

事實上,在1978年,另一位斯沃斯莫爾學院的天文學家——範·德·坎普的繼任者,斯普勞爾天文臺的臺長——發表了一份令人清醒的評估,評估了行星的說法。伍爾夫·迪特爾·海因茨回顧了巴納德星的資料以及赫爾希記錄的望遠鏡調整歷史,得出的結論是“因此,有證據表明,[恆星]測量的非線性運動是由望遠鏡光學器件引起的,而不是由伴星引起的。”(蓋特伍德和一位同事也未能證實存在圍繞巴納德星執行的行星。)至於天鵝座61,海因茨也發現證據不足。他寫道,原始資料集“對於得出軌道效應存在的結論來說,基礎相當薄弱……而目前更強大的資料更有可能表明這個結果是虛假的。”

到那時,已經出現了一些關於其他恆星周圍可能存在未見軌道伴星的其他說法;海因茨駁斥了所有這些說法。他寫道:“其他報告的低質量伴星案例看起來並不那麼吉祥。”“現在沒有任何觀測證據表明存在質量低於已知質量最小的可見恆星的伴星。”

真實的事物

經過多次錯誤的開始,直到1992年——範·德·坎普在圖森市宣佈訊息近三十年後——系外行星時代才真正開始。那時,現在在賓夕法尼亞州立大學的亞歷山大·沃爾茲森和國家射電天文臺的戴爾·弗雷爾發表了一項關於他們在脈衝星(一顆緻密的、快速旋轉的恆星遺蹟)PSR 1257+12周圍發現的奇異行星系統的研究。三年後,日內瓦天文臺的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲發現了飛馬座51b,這是已知的第一顆圍繞普通類太陽恆星執行的系外行星。範·德·坎普有幸看到了第一項成就,但沒有看到第二項。他於1995年去世,在麥耶和奎洛茲的歷史性發現公之於眾的六個月前,享年93歲。

儘管範·德·坎普在圖森市的宣告最終被證明不是一個里程碑,但巴納德星——以及關於那裡行星系統的說法——在五十年後仍然吸引著研究人員。

在今年1月,一個由該領域一些最傑出的系外行星研究人員組成的團隊公佈了他們自己試圖證實或證偽範·德·坎普行星存在的結果。(似乎並沒有被同事們的批評所嚇倒,早在1982年,範·德·坎普就發表了一項關於巴納德星運動的新分析,這次他論證了不僅存在一顆行星,而且存在兩顆行星,每顆行星的質量都小於木星。)研究人員在《天體物理學雜誌》中寫道:“儘管對這些行星提出了重大質疑,包括範·德·坎普本人的一些質疑,但沒有研究明確排除它們的存在。”

在這項研究中,現在是加州大學聖克魯茲分校研究生的崔潔恩和她的同事們分析了來自夏威夷的凱克望遠鏡和加利福尼亞州里克天文臺的數十年資料。研究人員在資料中搜尋了由軌道行星的引力牽引力引起的恆星擺動的證據。但是,範·德·坎普依靠的是天體測量學,即精確測量恆星在天空中的位置,而崔潔恩和她的同事們使用了徑向速度測量,後者測量恆星朝向或遠離地球的運動。天文學家現在可以探測到恆星徑向速度的極其細微的變化——相當於人類的步行速度——並且已經設法將這些變化歸因於數百個案例中的未見系外行星,包括飛馬座51b[參見上面的圖]。

範·德·坎普描述的行星會對巴納德星產生相當大的拉力,從而在徑向速度資料中產生波浪狀的振盪。但是崔潔恩和她的同事們沒有發現這樣的訊號。儘管如此,他們還是謹慎地讚揚了這位其工作被他們的研究駁斥的人。“彼得·範·德·坎普仍然是因其觀測的細緻、堅持和獨創性而備受尊敬的天體測量學家之一,”研究人員寫道。“但是現在幾乎可以肯定的是,範·德·坎普的兩顆假定行星並不存在。”

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