银河系外的行星
作者：苗千
银河系是一个棒旋星系，其直径超过10万光年，其中有超过1000亿颗恒星。人类所居住的太阳系可谓沧海一粟。自20世纪90年代，人类开始搜索所谓的“系外行星”（exoplanet），指的是在太阳系之外的行星。至今为止，人类已经发现了超过4800颗系外行星，这些行星都在距离地球3000光年的范围之内。当然，随着观测技术的不断提高，人类肯定会发现更多、距离地球更远的系外行星。
不过，《自然·天文学》（Nature Astronomy）杂志在2021年10月25日刊登的一篇论文还是远远超出了人们的预期。哈佛-史密松天体物理中心的物理学家罗莎娜·迪·斯蒂法诺（Rosanne Di Stefano）与合作者们发表了一篇论文《通过X射线凌日法发现的一颗可能的行星》（A possible planet candidate in an external galaxy detected through X-ray transit），报告他们通过美国航空航天局（NASA）的钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory），有可能发现了一颗在银河系外运转的行星。如果这个发现被证实，将创造人们探索系外行星的新纪录，而且是把探索距离一下子扩展了1万倍。
斯蒂法诺与合作者们发现的这颗可能存在的系外行星位于距离地球2800万光年之外的涡状星系（M51）。研究者们有意在这些区域利用X射线“凌日法”（transit）进行搜索，居然真的有所发现。所谓“凌日法”，就是说如果有行星围绕着恒星运动，当行星运行的位置恰好在人类观测恒星的路线上，行星就会遮挡住恒星一部分的光亮，这就会让恒星的光芒看起来周期性地变得黯淡一些——人类通过这个现象可以做出恒星周围有行星存在的判断。科学家们通常使用这种方法寻找太阳系附近的行星，这还是第一次把这种方法运用到银河系之外。
使用凌日法搜索行星时，科学家们通常是在可见光的范围内进行搜索。而斯蒂法诺与合作者们别出心裁。一方面，他们把搜索范围从太阳系附近一下子扩展到了与银河系临近的星系；另一方面，他们也把用来探测的电磁波频率从可见光转移到了X射线——这就有可能探测到一些在特殊状态下存在的系外行星。
借助钱德拉X射线天文台和欧洲空间局的XMM-牛顿卫星（X-ray Multi-Mirror Newton），斯蒂法诺与合作者们在银河系临近的涡状星系——风车星系（Pinwheel Galaxy）和阔边帽星系（Sombrero Galaxy）利用凌日法进行搜索。当他们检查涡状星系内一个名为“M51-ULS-1”的双天体系统时，发现这个系统中有一颗质量大约是太阳20倍的恒星，另外还有一个致密的天体，可能是一个黑洞或一颗中子星，两者相互围绕运转。他们研究了望远镜对这个双天体系统持续3个小时的观测数据，结果发现其发射的X射线会完全消失，这说明在这个双天体系统周围很可能存在至少一颗行星。
在这样的双天体系统中，这颗恒星被称为“供体星”（donor star），因为与之相伴的致密天体，无论黑洞或中子星，都会利用其巨大的引力持续从恒星获得气体。在黑洞或中子星周围的气体因为引力被加速到极高的温度时，就会释放出X射线。相比于巨大的恒星，黑洞或中子星的体积都相对较小，因此如果有行星经过，就有可能完全遮挡住其发射的X射线。这种效果要比在可见光范围内看到的效果更明显。
斯蒂法诺认为，他们观测到的正是这样一个事件。根据分析，在这个双天体系统周围，最大的可能是有一颗体积和土星大小相似的行星围绕其运转，它们之间的距离大约是土星与太阳距离的两倍。这颗可能存在的行星被认为是一颗环联星运转行星（circumbinary planet），也就是说，它围绕着这个由一颗恒星和一个黑洞或中子星组成的双天体系统的中心运转。如果这个致密的天体是黑洞的话，那么这颗行星就是人类发现的第一颗围绕着黑洞运转的行星。它也是人类发现的第一颗围绕着X射线放射源运转的行星——只要它确实存在的话。
科学家们想象，这颗围绕着这个双天体系统运转的行星有着极其惨烈的过去——曾经的双星系统中的一颗恒星的生命走到了尽头，发生了剧烈的超新星爆发，从而变成一个黑洞或中子星。这颗行星必然受到了强烈的辐射，而它还将面对惨烈的未来——另一颗恒星迟早也将发生超新星爆发变成另一个黑洞。届时这个双天体系统会变成一个双黑洞系统，行星将会再一次遭受强烈的辐射。问题在于，想要确定这颗行星的存在还有很大难度。根据观测数据分析，这颗行星运转的周期大约是70年，也就是说，如果这颗行星确实存在，想要观测到同样的现象要在将近70年之后。
如果这颗行星的存在最终被证实，必定会开启一个全新的研究领域，让人类开始搜索银河系外的行星。无论如何，这项研究都展示了在科学中开启新思路的重要性。论文作者斯蒂法诺在她自己的网页上评论，他们所采用的技术并不算太先进，对银河系外星系的探测在20年前就开始了。他们之所以能够做出这个发现，其实是因为他们在有意寻找这样的天体（如果这颗行星确实存在的话）。很多新的问题也会随之出现，比如在这样的高能天体系统中，行星究竟是如何出现的？
（本文写作参考了美国航空航天局网站及哈佛大学的相关报道） 银河系最大的恒星科学天文x射线银河系黑洞银河系中心中子星