2010年1月6日 星期三

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


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


相關連結:
The Extrasolar Planets Encyclopaedia

NASA Planet Quest

Apr 2007, Cosmos Magazine
Are we alone?

Sep 2009, Cosmos Magazine
New 'Drake equation' for alien habitats

Jul 2009, Supernova Condensate
How to spot exo-Earths...

Mar 2009, physicsworld.com
Brave new worlds

Nov 2009, physicsworld.com
Recipes for planet formation

3 則留言:

  1. Nick老兄:

    以防萬一,下次可考慮用"Excel語言"10^20?雖然有點怪但應該大多數讀者都會明~

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  2. 老人兄你好。對啊,那便一清二楚了。

    不過我只是覺得,既然報紙可以印到正式的「10的20次方」,無理由用回這原始 notation 吧。

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  3. 如果印10^20,有些讀者不明白的,畢竟熟悉excel的讀者也不多,當然會計行內會多一些。

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