外太陽系

美國國家航空航天局哈勃太空望遠鏡發現太陽系外行星大氣層中存在二氧化碳。這一突破性發現為尋找地外生命“生物化學示蹤劑”邁出了重要的一步。

這顆行星名稱為HD 189733b，大小與木星相當，溫度較高，可能不適合生命存在。不過哈勃望遠鏡的觀測至少從概念上證明了，太陽系外行星生命的基本化學組成是可以 測量的。

有機化合物可能是生命代謝過程的一種“副產品”，而在類地行星上探測到這些“副產 品”或許有一天能為地外生命的存在提供“第一手證據”。

此前，哈勃太空望遠鏡和美國國家航空航天局斯必澤太空望遠鏡觀測到HD 189733b上有水蒸汽存在。今年早些時候，哈勃太空望遠鏡又在其大氣層中發現了甲烷。

哈勃太空望遠鏡項目科學家說：“當初設計哈勃的目的是觀測遙遠的宇宙深處，不過現在它開創了天體物理學和比較行星學的新時代。”他還說：“我們很快就開始這些大氣研究，並測定遙遠的太陽系外行星的大氣組成和化學反應過程。我們希望在遙遠行星的大氣層中發現更多的分子。”

美國加利福尼亞州帕薩迪納美國國家航空航天局噴氣動力實驗室科學家馬克？斯溫（Mark Swain）用哈勃近紅外攝象機和多目標分光儀對行星發出的距地球63光年的紅外光線進行了研究。行星大氣氣體從行星熾熱的內部吸收了部分波長的光線。在地球接收到的輻射中，分子會留下獨特的光譜。這樣，斯溫鑒定出行星上存在二氧化碳和一氧化碳。這也是第一次從系外行星獲取近紅外放射光譜。

斯溫說：“二氧化碳的發現是我們感到振奮的主要原因。因為，以目前條件判斷，二氧化碳與生物活動應該有聯繫。我們能夠探測到二氧化碳，並且能夠計算出其含量的豐富程度，這對長期致力於行星研究、弄清其組成成份以及該星是否適合生命居住來說，意義重大。”

行星自轉軸與觀測者的視線垂直時觀測效果最好。這樣，行星會定期從其繞轉恆星的前面穿過然後轉到背面去。這種現象叫作“蝕”。HD 189733b平均每2.2天就轉到恆星背面了。“蝕”使科學家得以從“蝕”前恆星和行星共同發出的光中減去行星被擋住后恆星單獨發出的光。這樣，行星反射的光線得以分離出來，而行星大氣的化學分析也成為可能。

噴氣推進實驗室的另一位科學家說：“這樣，當行星位於恆星背面時，我們就可以觀測到行星的‘晝面’，這時，大氣層最熱。”他還說：“我們目前已經開始尋找分子，弄清楚分子數量，並觀察‘晝面’和‘夜面’分子數量的變化。”

此次對行星發出的近紅外光線進行觀測，非常成功。這對天文學家使用計劃於2013年發射的詹姆斯？韋伯太空望遠鏡是個極大的鼓舞。因為這些生物標誌用近紅外波段觀察效果最佳。天文學家期待著用韋伯望遠鏡對與地球大小相當的類地行星或數倍於地球質量的“超級地球”上的“生物標誌”進行光譜觀測。

早在十九世紀便有天文學家聲稱發現外太陽系行星。1855年，在東印度公司馬德拉斯天文台（Madras Observatory）工作的雅各（W. S. Jacob）發現蛇夫座70雙星系統軌道異常，懷疑當中有類似行星的物體；1890年代，芝加哥大學及美國海軍天文台（United States Naval Observatory）的湯瑪斯·傑佛遜·傑克遜·希（Thomas Jefferson Jackson See）聲稱軌道異常證明該系統當中有一個公轉周期為36年的黑暗物體，但福雷斯特· 雷·莫爾頓（Forest Ray Moulton）隨即指出這樣的系統極不穩定。在1950至1960年代，斯沃斯莫爾學院的彼德·范德（Peter van de Kamp）聲稱發現了繞著巴納德星公轉的行星。後來的天文學家普遍認為這些早期觀測都是錯誤的。

加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾（Bruce Campbell）等人在1988年的結果是首次獲得隨後觀測確認的發現，他們利用視向速度法發現圍繞仙王座 γ（少衛增八）的行星；然而因為當年技術條件所限，包括發現者本身的天文學界都對結果有所保留。也有人懷疑這些其實是質量介乎於行星和恆星之間的棕矮星。

隨後不少觀測支持仙王座γ擁有行星，但亦有研究顯示相反的證據。最終到了2003年運用改進了的觀測技術方能證實。

1991年，安德魯·林恩（Andrew Lyne）等人聲稱運用脈衝星計時法發現了一個圍繞PSR 1829-10的脈衝星行星。雖然結果受到注目，但林恩及其研究隊伍很快便撤回結果。

1993年，波蘭天文學家阿萊克桑德·沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）及戴爾·弗雷（Dale Frail）宣布發現一個圍繞PSR 1257+12的脈衝星行星。這項發現迅速被確認，普遍認為這是首次對系外行星的確認。這些系外行星相信是由超新星的殘餘物所構成，或是巨型氣體行星的固體核心被超新星拋出所形成。

1995年10月6日，日內瓦大學（University of Geneva）的米歇爾·麥耶（Michel Mayor）及戴狄爾·魁若茲（Didier Queloz）宣布首次發現一顆普通主序星（飛馬座51）的行星，這發現開展了當代的系外行星發現。先進的科技，特別是高解像度的光譜學，大大加速了新系外行星的發現。這些新發展讓天文學家可以憑行星對母星的重力影響間接偵測到系外行星的存在，亦有行星因為經過母星前面導致母星光度減弱而被發現。

截至2006年10月2日，人類一共發現了210個系外行星，包括一些在1980年代後期已被發現，卻在後期才被證實的，當中很多都是由傑弗里·馬西（Geoffrey Marcy）的隊伍在加利福尼亞大學的利克天文台（Lick Observatory）和凱克天文台（Keck Observatory）發現。現已發現了二十個擁有超過一個行星的星系，最早發現的一個為仙女座υ行星系統；另外亦有四個行星圍繞兩個脈衝星的情況。經紅外線觀測恆星盤亦顯示在一些行星系統中也存在著數以百萬計的彗星。

謎團一：為什麼柯伊伯帶五顏六色？

柯伊伯帶位於海王星以外的太陽系邊緣，現在科學家懷疑這裡是彗星的誕生之地，這些慧星只需要幾十世紀或幾百年時間就可以形成各自的太陽系軌道，因此也被稱為短期彗星。夏威夷大學的天體物理學家大衛·傑維特說，令人驚訝的是，柯伊伯帶的天體“呈現出一系列顏色，從黑白色或輕微的藍色，到鮮艷的大紅色。”一個天體的顏色可展現它的表面組成成分的詳細情況。現在的難解之謎是，與其他小行星相比，柯伊伯帶的天體為什麼會顯示出如此多的色彩，這表明它表面的組成成分非常多。

一些研究人員指出，火山活動能形成這些顏色，但是傑維特說：“這種現象在直徑為100公里的天體內根本不可能發生，”因為火山作用需要一些更大的天體。傑維特和他的同事指出，宇宙射線可能讓柯伊伯帶的天體看起來更紅，它們與岩石的撞擊，可能會碰撞出更多讓它們看起來不是太紅的原始物質。現在傑維特認為還有有關這種“彩虹”的其他解釋，只是目前還不清楚確切答案。

謎團二：紅外物質究竟是什麼？

似乎有一種被稱為“紅外物質”的東西只存在於大約半數的柯伊伯帶天體和它們的直接後裔“半人馬座”(在木星和海王星之間運行的由冰構成的小行星，最近從柯伊伯帶內逃逸出來)中。內太陽系中並沒有這種紅外物質，“來自柯伊伯帶的彗星上甚至也沒有這種物質。”傑維特解釋說，“這顯示出這種紅外物質在靠近太陽的高溫環境下非常不穩定。”紅顏色暗示這種物質可能包含有機分子。通常情況下，人們認為有機分子正是藉助彗星和其他小行星來到地球。傑維特說： “在柯伊伯帶的天體中，有機成分可能已經被宇宙射線‘蒸熟’，讓這些天體的表面呈現暗紅色，但是目前並沒有證據證明這一說法。”將來飛船將飛到那裡，找到最終答案。

謎團三：柯伊伯帶收縮了嗎？

理論計算顯示，柯伊伯帶曾經的粒子數比現在多幾百，或許是幾千倍。傑維特說：“柯伊伯帶99%或99.9%的質量是如何喪失的？是在什麼時候喪失的？”一種推測顯示，當40億年前土星和木星改變運行軌道的時候，它們的重力將柯伊伯帶的天體拋向外太陽系。另一種說法是，柯伊伯帶的天體在相互撞擊的過程中成為碎片，隨後被太陽放射物吹走。然而，還有一種可能性“是我們正在喪失的一些至關重要的東西和柯伊伯帶的重量減輕的結論是錯誤的。通過對比，所有這些可能性都很難令人信服，但是如果最終證明它們確實是事實，它們中的每一個都會令人大為震驚。”

謎團四：奧爾特雲里有何秘密？

奧爾特雲是幾萬億顆遙遠的彗星的聚集地，從理論上來說，它距離太陽大約10萬個天文單位，一天文單位大約相當於9300萬英里(1.5億公里)。這意味著奧爾特雲距離我們非常遙遠，我們根本無法直接看到它內部的天體，因此只能憑藉推測，但是它一定存在，並釋放出多年來我們不斷看到的彗星。奧爾特雲是推測中的彗星發源地，這些彗星完成圍繞太陽的長途旅行需要幾個世紀。因為這些“長期彗星”來自不同的方向，科學家通常認為奧爾特雲呈球狀。傑維特解釋說，然而，雖然哈雷等彗星不是來自柯伊伯帶，但是它們的軌道也與球狀奧爾特雲的不相符。這顯示太空中很可能存在一個形狀像油炸麵包圈的“內奧爾特雲”。傑維特表示，天體物理學家認為奧爾特雲是大約46億年前在太陽周圍形成的原行星盤的殘餘物。對奧爾塔雲了解的越多，越有助於我們了解太陽系和地球的產生過程。

謎團五：外太陽系是否存在更多的矮行星？

到目前為止，已經公認的矮行星有3顆——穀神星、冥王星和鬩神星。柯伊伯帶距離太陽大約50個天文單位，它內部可能有200多個矮行星。夏威夷雙子星天文台的天文學家查德·特魯吉洛說，在柯伊伯帶外距離太陽大約100個天文單位以外的地方，可能存在大量矮行星大小的天體，“因為它們非常昏暗，而且運行非常緩慢，因此以前沒有人看到過它們。如果一個天體運行到距離太陽200個天體單位以外，即使它像火星一樣大，我們現在的觀測方法也無法發現它。”特魯吉洛注意到，在即將到來的10年中“全景觀測望遠鏡和快速反應系統”(Pan-STARRS)和(LSST)大口徑綜合巡天望遠鏡“應該能填補我們有關這方面知識的空白。”

謎團六：矮行星來自哪裡？

有理論認為，根據現在的軌道可以看出，數十億年前，外太陽系中的矮行星可能居住在太陽系內部。特魯吉洛提出疑問，如果事實確實如此，“它們的表面為什麼有那麼多冰，這些冰又是從何而來?”人們一般認為，由於陽光照射，太陽系內部的天體都失去了冰層。特魯吉洛和他的同事懷疑現在在這些矮行星上看到的冰相對來說比較新，它們來自這些天體的內部，在“火山作用”下噴出地表。當然，目前還需要通過進一步的研究來證明是否這種冰在從太陽系內部到達外太陽系的長途旅行后，還足夠覆蓋這種矮行星。

謎團七：宇宙射線來源於太陽系周圍的汽泡？

當從太陽吹來的帶電粒子超聲速風與在恆星間發現的稀薄氣體相撞時，太陽風猛烈吹擊這種星際介質中的泡沫。星際介質是已知的球狀日光層。科學家認為，微弱的宇宙射線——從太空飛向地球的高能粒子——來自日光層。科學家認為這些射線來自邊界激波(termination shock)，邊界激波是一個被壓扁的衝擊波，當太陽風突然爆發，衝擊星際氣體時，就會產生強放射性粒子。邊界激波距離太陽大約75到85個天文單位。

一個由加拿大、法國和美國天文學家組成的科研小組已經在海王星軌道以外，在天文學家們稱之為柯伊伯帶的區域之中，發現了一個不同尋常的小天體。這個新天體到太陽的距離是海王星的兩倍，大小約為冥王星的一半。這個天體暫時被昵稱為巴菲，它擁有一條非常異常的軌道，很難用以前的外太陽系形成理論來解釋。這個新天體目前距離太陽58個天文單位(1個天文單位，即1AU，等於地球到太陽的平均距離)，它與太陽的距離從來不會小於50個天文單位，因為它的軌道是接近圓形的。幾乎所有在海王星以外被發現的柯伊伯帶天體都介於30AU～50AU之間。在50AU以外，主柯伊伯帶似乎就終止了，僅有的幾個在這個距離以外被發現的天體全都處於高橢率的軌道之上。這些高橢率的軌道大都是海王星通過一種引力彈弓效應將這些天體向外“拋擲”的結果。然而，因為這個新天體從來不會運行到50AU以內，因此必須有一種不同的理論來解釋它的軌道。使問題變得更加複雜的是，這個天體的軌道還是極其傾斜的，相對於太陽系其他天體的軌道平面，它的軌道傾斜了47°。

這個天體在國際天文聯合會的官方通告中，被正式編號為2004XR190，它是在加—法黃道面巡天計劃(CFEPS)的常規觀測中被發現的，這是加—法夏威夷望遠鏡所做的Legacy巡天的一部分。到目前為止，發現者們仍然在使用臨時昵稱巴菲來稱呼這個新天體。不過，他們已經上報了另一個官方名稱，以遵循此類天體命名的常規慣例。巴菲是從成堆的Legacy巡天數據中提取出來的(每操作1小時就會產生大約50G位元組的數據)，強大的計算機梳理著望遠鏡照片，尋找出數以百計的候選目標。天文學家們再對這些候選目標進行篩選，辨認出遙遠的彗星。英屬哥倫比亞大學(UBC)的天文學家萊妮·艾倫最先發現了這個新天體，當時她剛剛完成了對2004年12月的CFEPS數據處理的初步辨認工作。“與我們通常發現的柯伊伯帶天體相比，它是相當明亮的，”艾倫博士說，“但是更有趣的是，它的距離是如此遙遠。”這個天體的亮度表明，它的直徑很可能介於500千米～1000千米之間。因此巴菲是一個非常大的柯伊伯帶天體，只有大約半打天體比它更大。“我們馬上意識到，這個天體距離太陽大約是海王星的兩倍，它的軌道有可能是接近圓形的，”UBC的教授布德特·格萊德曼說，他在測定軌道時注意到了這個天體非同尋常的本質，“但是進一步的觀測還是必需的。”

精確測量一個柯伊伯帶天體的軌道需要對它進行一到兩年的觀測。對巴菲的第一次補充觀測出現在2005年10月，格萊德曼和康耐爾大學的菲爾·尼科爾森使用5米的海爾望遠鏡再次觀測了這個天體。對巴菲新位置的測量不僅證明它的軌道非常傾斜，與行星系統平面的傾角為47°(基本上平了柯伊伯帶天體的紀錄);而且還證實了巴菲與其他任何已知的天體都不相同，因為它位於一條半徑非常長，但卻幾乎是圓形的軌道之上。亞利桑納基特峰國家天文台的望遠鏡對巴菲的位置進行了更多的測量，這些觀測是由小組成員約耳·帕克(西南研究院)，以及J。卡弗拉斯(加拿大國家研究委員會，赫茨伯格天體物理研究所)和韋斯·弗雷澤在2005年11月完成的，修正了對巴菲近日距的估計。然後Legacy巡天計劃將提供更多的觀測，進一步確認它的軌道。天文學家們必須等到2006年2月，才能測量出巴菲運行軌道的精確細節。研究小組已經將他們的發現上報給小行星中心(MPC)，這是新小行星天文測量數據的“票據交換所”。“發現第一個50AU以外的圓軌道天體，這確實是誘人的。”小行星中心主任布賴恩·馬斯登回應說。過去的五年來，關於外太陽系形成的理論已經被推至了極限：異常的柯伊伯帶天體，例如巴菲，它們從來不靠近海王星，但仍然擁有高軌道傾角，這些必須得到解釋。儘管解釋個別天體的理論是存在的，但是要用同一個過程再現出所有已知天體的組合，這就給目前的太陽系模型提出了一個艱難的挑戰。因為這些異常的天體，比如巴菲，是非常罕見的，所以天文學家們仍然在搜刮柯伊伯帶的黑暗角落。要想解開我們太陽系早期歷史之謎，未來系統探索柯伊伯帶的大規模巡天是唯一的途徑。