小城科學: 找尋「第二個地球」

我問你，宇宙中恆星多過行星，還是行星多過恆星？

太陽系包含一顆恆星，八顆行星（冥王星的行星身份數年前已被摘下），如果這是宇宙常態，則行星肯定多過恆星。

然而，仰望星際，能以肉眼和望遠鏡看見的，除了金星、火星、木星等太陽系內的行星，其餘的盡是遠在宇宙深處的恆星。憑直接觀察，恆星遠遠多過行星。

不過，天上有超過 10²⁰ 顆恆星，單是我們的太陽擁有行星，我不相信。

但是行星沒有自己的光源，其反射的光線又往往遭母恆星蓋過，舉個例子^[1]，最接近我們的恆星 Proxima Centauri，離我們 4.2 光年，觀察其行星（如果有的話）就像從北京望向新加坡，嘗試找尋一隻撲街燈的飛蛾。要知道哪一顆恆星有行星圍繞，不能靠直接觀察，可有其他方法？

行星繞着恆星公轉，給人的印象是只有行星在轉，恆星則呆在圓形的中心，靜止的。這看法並不完全正確，萬有引力是雙向的，行星受恆星牽引的同時，恆星也受行星牽引，與其說小的繞着大的兜圈，更正確的說法是兩者互相繞着對方兜圈，只不過一方的質量遠遠大於另一方（太陽是地球的三十萬倍以上），故重的一方移動遠較輕微，就像鏈球選手和鏈球，選手本人也在轉動，只是幅度遠較鏈球為小。如果能夠觀察恆星的輕微動態，或許我們可以推斷行星的存在。

天體測量學（astrometry）就是一門追蹤天體移動的科學，其歷史追溯至古希臘，在人類觀天史的地位不容置疑，但是一顆碩大無比的恆星給一個小如乒乓球的子行星拖拽咫尺之遙，在以光年計的距離之外，我們真的能夠觀察得到嗎？去年五月，有人用天體測量的方式發現，一顆離地球二十光年的恆星應該有顆子行星，若果屬實，這將會是有史以來首次以天體測量學發現「天外行星」（我自創的叫法，即太陽系以外的行星，洋稱 extra-solar planet 或 exoplanet）。可惜，同年十二月有人以其他方法嘗試查證，但找不到上述行星，未必代表行星一定不存在，但此發現的真確性顯然仍有爭議。可見，天體測量學作為一種發現天外行星的手段，雖然理論上可行，但實用性有待確定。

天體測量所追縱的，是恆星「上下左右」的二維動態，那「遠近」（或「前後」）的一維動態又怎樣？觀察「上下左右」未能確切發現天外行星，觀察「遠近」又有用嗎？「遠近」看似更難觀察，但是我們已經有一道萬試萬靈的板斧，就是「都卜勒效應」。當恆星向我們移近，它發出的光線波長會縮短；當恆星移離我們，波長則會增加。憑着光譜的變化，便知道恆星是在移向或移離我們。恆星受到子行星的微細牽引，必會出現輕微的「遠近搖晃」（天文學稱為 wobble），拜都卜勒效應所賜，我們能夠非常仔細地量度搖晃的幅度，從而推斷子行星的存在，這技術名叫「radial velocity」。至今發現超過四百顆天外行星，其中絕大部份都是 radial velocity 的功勞。不過，受制於一維的遠近資訊，此法只能告訴我們行星的質量下限和不完整的軌道特徵。想知多一點，怎辦？

便要等待子行星在我們眼前「出現」，等待其運行至母恆星與地球之間，形成類似日蝕的現象（天文學稱為 transit），我們便能藉其黑影知道其大小，再加上從 radial velocity 已得的資料，便能計算其實際質量、密度和完整的軌道；分析其大氣層的光譜，更能推測大氣的成份。Transit 的概念十分簡單，但執行上也不容易，假設有位外星人正在觀測太陽系，當木星（系內最大的行星）在太陽面前掠過，太陽的光度會減少 1%；當地球在太陽面前掠過，太陽的光度只會減少 0.01%^[2]；不要忘記，太陽在外星人的眼中，只是天上的一點。再者，和日蝕一樣，transit 的出現或多或少都要靠點運氣，如果天外行星的軌跡和地球的軌跡不是處在同一平面，transit 可能永遠不會出現，即使兩者同一平面，也要「撞正」天外行星劃過其母恆星，假如某行星運轉一周需時十年，我們可能要等足九年零九個月才可見到其 transit。

大部份已知的天外行星都是用 radial velocity 方式「發現」，再用 transit 方式「了解」，也有一些是先以 transit 方式發現，再用 radial velocity 方式作補充，兩者可謂相輔相成。由於 transit 不是經常出現，好些天外行星只是被發現，而無法被進一步了解。

說到這裡，又要說說愛恩斯坦，他真不愧為一代宗師，差不多任何物理學或天文學的討論都少不了他的份兒。根據相對論，質量會扭曲光線的路徑，當一顆恆星在另一顆恆星面前掠過，前者就會像一塊放大鏡般把後者的影像扭曲，這是經天文觀察証實過的。愛恩斯坦也曾預測，若果前面那顆恆星有顆子行星，那便好像有兩塊放大鏡（一大一細）一起劃過眼前，我們應該察覺。要以這個方法探測天外行星，條件是必須有一顆遠處的恆星作為「背景光源」，然後一顆較近的恆星及其子行星以一大一細放大鏡的姿態在「背景光源」面前掠過。這個安排必須「多方配合」，出現的機率比 transit 更小；事實上，愛恩斯坦認為出現的機會微乎其微。然而，在一個有超過 10²⁰ 顆恆星的宇宙裡面，任何微乎其微的機會都會發生，至今有十顆天外行星就是用這叫 microlensing^[3] 的技巧發現的。

上面提過的所有方法，除了 transit，都是百分百的間接觀測，以「旁敲側擊」推斷天外行星的存在。其實不用等待 transit 的直接觀察也不是沒可能，天文學家正在研究多種遮蓋或抵消母恆星光線的技術，希望直接找尋子行星。這類別尚在研究階段，暫無實質成果。

從 1995 年發現第一顆天外行星開始，這門「邊緣」天文學至今經已漸成主流；從最初只能發現大於木星的行星，到現在已能發現只大於地球數倍的行星（木星的質量是地球的 318 倍）。隨着儀器不斷改良，發現「第二個地球」可能指日可待。現時一般認為，最少十分之一的恆星擁有子行星；已發現子行星的星系之中，只有一顆行星的佔大多數，有三至四顆的也數不在少，儀器不斷改良，發現的行星只會愈來愈多。宇宙中究竟恆星多抑或行星多，大家不妨思考思考吧。

（2010 年 1 月 6 日信報副刊）

註：由於我給報館的版本是純文字的，故「天上有超過 10²⁰ 顆恆星」這句變成「天上有超過 1020 顆恆星」，而報館也「順理成章」地把其轉化為「天上有超過一千零二十顆恆星」刊出。其實在電郵裡，我早已提醒信報，這「1020」實際上是「10 的 20 次方」，但很明顯編輯或排版的人沒有看到，也沒有想到「天上有超過一千零二十顆恆星」這說法是多麼的滑稽。

References:
[1] 飛蛾的比喻來自 NASA 的 Planet Quest 網頁：

For example, if there were a planet orbiting Proxima Centauri, the nearest star, it would be 7,000 times more distant than Pluto. Trying to observe this planet would be like standing in Boston and looking for a moth near a spotlight in San Diego.

原本的比喻是用波士頓和聖地牙哥，為了符合香港讀者的日常認知，我改用距離相約的北京和新加坡。

[2] 來源：The detection and characterization of exoplanets, Physics Today, May 2009