3100万光年!科学家发现其他星系的系外行星,是怎么做到的?

在太阳系中 , 一共有8颗行星 。 其中6颗是从人类出现后就认识到的 , 而第7颗行星天王星是1781年由英国天文学家赫歇尔通过望远镜发现的 , 第8颗行星海王星则是通过计算轨道而推测出来的 。
太阳是银河系中非常普通的一颗恒星 , 几乎没有特殊之处 , 像太阳这样有行星围绕的恒星比比皆是 。 然而 , 太阳系内的2颗冰巨星尚且是人类在仅仅200多年前才发现的 , 更不用说系外行星了 。
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(图片说明:太阳系行星)
好在 , 凭借着巧妙的方法和强大的观测设备 , 科学家如今还是发现了超过4000颗系外行星 。 其中最近的就是比邻星的行星比邻星b , 最远的甚至在几万光年外 。 很容易理解 , 就算技术再巧妙、设备再先进 , 也是越近的行星越容易被发现 。
不过 , 最近的一项发现 , 让全世界都为之震惊 。 此前最多在几万光年外发现系外行星的科学家 , 竟然一下子发现了一颗3100万光年远的系外行星!这个距离的倍数增加 , 实在是令人瞠目结舌!
我们知道 , 银河系的半径也就只有5-10万光年 , 可见这么遥远的系外行星 , 必然是位于其他星系中 。 它所在的星系 , 叫做M51 。
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(图片说明:哈勃望远镜拍摄的M51)
M51又叫涡状星系、NGC5194 , 距离我们大约3100万光年 , 是一个非常著名的旋涡状星系 , 尤其是上面这张由哈勃望远镜拍摄的照片 , 也是天文学界最经典的照片之一 。 这一次发现了系外行星 , 它就更加著名了 。
那么 , 科学家到底是怎样发现的呢?
原来 , 早在2018年的时候 , 哈佛大学和史密森尼天体物理学中心的RosanneDiStefano和她的同事就已经发现这里可能存在行星了 。 当时他们在M51中发现了一对X射线双星 。 所谓的X射线双星 , 指的是两颗非常接近的恒星 , 其中一颗不断掠夺另一颗恒星的物质 , 据为己有 , 并且在这个过程中释放出X射线 。
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(图片说明:X射线双星)
X射线双星中吞噬物质的那一颗通常是致密星 , 比如中子星或者是黑洞 。 不过 , 这种双星系统中的X射线并不总是非常强烈 , 所以观测起来也具备一定的难度 。
正如DiStefano所介绍的那样 , 他们并不知道这样的X射线双星系统中是否真的可能存在系外行星 , 但是他们认为 , 在这里寻找系外行星是很有可能有所收获的 。
为此 , 他们利用了当今世界上最强大的两台X射线望远镜——钱德拉X射线天文台和XMM-牛顿卫星 , 对涡状星系(M51)、风车星系(M101)和草帽星系(M104)这三个星系进行了观测 。 在这些星系中 , 他们一共发现了2624条X射线双星的迹象 。
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(图片说明:草帽星系)
接下来 , 他们在这些X射线双星系统中寻找可能的系外行星 。 结果发现 , 其中只有一个系统的信号符合他们的预期 。 这个系统名叫名为M51-ULS-1 , 其中包含一颗致密星(不清楚是中子星还是黑洞)以及一颗非常巨大的伴星 , 据推测很可能是一颗B型恒星 。
那么 , 是什么信号让他们认为这是一颗系外行星呢?
这就是科学家经常用来寻找系外行星的方法之一——凌日法 。 就是当一颗行星运行到宿主恒星和地球之间的时候 , 会遮挡住宿主恒星的一部分光 。 在M51-ULS-1中 , 他们就发现了一次亮度的下降 , 如下图所示 。
(图片说明:名为M51-ULS-1的亮度变化 , 中间有一个明显的低谷)
在绝大部分时间里 , 这个系统的亮度都保持着相对稳定的状态 , 只有其中3个小时有所减弱 。 而且在这个低谷的两侧 , M51-ULS-1的亮度也是一致的 , 可见这个亮度变化来自外部因素 , 而非这两个天体本身 。
接下来 , 研究人员需要确定到底是什么外部因素导致了这次亮度的变化 。 在对褐矮星、其他小的恒星以及气体云(这个可能性最高)等因素分别进行了推测和排除之后 , 他们得出结论:上述原因都不符合观测结果 , 最有可能的就是一颗系外行星!
他们推测:这颗行星的体积应该和土星差不多大 , 在距离双星系统几十个天文单位(1天文单位约合1.5亿公里)的位置上公转 。
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(图片说明:M51-ULS-1发生凌日现象之前和期间的图片)