最近，天文学家发现了一颗系外行星，围绕它的行星环尺寸惊人，比土星的环还要大上200多倍。这颗行星非常年轻，行星环中可能正在诞生它的卫星，而我们从地球上就可以看到这个超大行星环的阴影。现在，天文学家正在寻找其他像它一样有着巨大行星环的行星。就在今年，2017年，可能就能观测到行星绘架座βb（beta Pictoris b）以及它的行星环啦！
“给少年的科学前沿”系列（8）
作者 Matthew Kenworthy（荷兰莱顿大学莱顿天文台）
翻译 贾小方
编辑/校对 李娟
赛先生“中小学生评审”张及晨、陈一帆为本文提出了修订意见，并撰写了点评。
小黑板
凌星：一个天体在另一个天体前面经过时的天文学现象。
假阳性：类似于要观测的现象，但由于干扰因素存在，造成了虚假信号。
双星系统：有两颗恒星的星系，它们在各自的轨道上围绕着共同的引力吸引中心运行。
寻找新星的方法
当一颗行星运行到它的母恒星前面，会挡住来自母恒星的一部分光线，这个阶段长达好几个小时，被称为行星凌星。天文学家正是通过这种掩星法发现了银河系里的很多行星。他们利用小型望远镜，测量行星在恒星前面移动而造成的恒星亮度的改变，进而发现并观测新的行星。像木星这种巨大的天体，其直径可达恒星的十分之一，它挡住的光相当于恒星总光线的百分之一。
第一次用掩星法发现行星是在2000年[1]。当时，配合计算机控制的摄像机，大卫·沙博诺（David Charbonneau）教授使用的是4英寸口径（约102毫米）望远镜。现在全世界有许多不同型号的望远镜，每隔几分钟就会拍下夜空的照片，寻找由于行星凌星所致的可辨别出的亮度变化。
其中一个寻找行星凌星的天文台叫做超广角行星探测器（SuperWASP）（见图1）。这种探测器配备了八个强大的摄像镜头，分别连接着八个照相机，每晚都拍下夜空的照片[2]。使用的镜头越多花费也越大，镜头少虽然省钱，但要耗费更多时间。截至2010年，超广角行星探测器收集了超过一千八百万个星体多年来的珍贵数据！这些数据对其他天文学家们来说也很有用，它们可以被用来研究感兴趣的行星，探索行星的活动。
在发现新行星方面，这些小小的望远镜取得了巨大的成就。在地球上观测到了300多颗行星绕着母恒星移动。还有更多行星没被观测到，因为它们的运动轨道跟地球上的望远镜不在一条线上。2009年发射的开普勒号空间探测卫星，用同样的方法发现了1000多颗行星。
图1. 超广角行星探测器（图片来自：http:// www.superwasp.org/）
但同时也有一个问题。使用电脑根据亮度减弱来探测行星是有难度的，因为还有其它天文现象跟行星凌星很像。比如，当两颗恒星运行时碰巧互相阻挡对方的光亮，看起来与行星凌星类似，探测就会出现假阳性。
有些恒星也会因为如下原因导致亮度改变：膨胀、坍缩、表面发生爆炸，或者正把附近其它恒星的星屑吸引过来。这些现象都可能造成假阳性。由于众多天文现象的误导性，超广角行星探测器的建造者把所有数据都放到了网上，以供其他天文学家下载，方便大家一起研究。而他们也就是这么发现J1407的。
恒星J1407的发现
美国罗切斯特大学的Eric Mamajek 教授和他的研究生Mark Pecaut，研究了超广角行星探测器数据库里的数据。Eric和Mark都是发现年轻恒星的专家。年轻恒星有两个标志：（1）表面有许多黑子，黑子区域比其他部分温度更低，看起来像小黑点。（2）年轻恒星比较老恒星自转速度更快。太阳自转一圈大概需要25天，但年轻恒星只需要2到3天。
年轻恒星自转时，其表面的黑点会时而不见、时而可见，这会对亮度的变化产生小小的影响。通过观察恒星发出的光，Eric和Mark观测到每次自转时亮度的周期性改变。数据库里记录着很多恒星的亮度变化情况，为发现年轻恒星提供了完美的平台和有力的证据。
其中被观测到的一颗恒星叫做J1407。他们发现这颗恒星的光数据非常奇怪。这颗星的全名叫做1SWASP J140747.93-394542.6，这个名字来源于它在天空中的坐标位置，我们简称它为J1407。
在头两年的时间里，这颗星表现得非常规矩听话，它的光度每隔3.2天就呈现出微小的变化，这显示它是一颗旋转得很快、可能也非常年轻的恒星。直到2007年中期，它开始表现出了异常。
在两个月的周期里，这颗恒星的亮度开始变得黯淡，接着回到正常值，之后又黯淡了大约一周，然后反着重复了这个过程，最后才回到正常值（见图2）。而且，它变暗的速度非常非常快。只用了一夜的时间，光度就下降了一半多。这到底是什么原因导致的呢？
图2. 2007年4月和5月获得的J1407的光数据。红点是测量得到的恒星的光度。通过用电脑模拟行星环在恒星前面的运行，记录被行星环遮挡后恒星的光度变化，绘制出了图中的绿线。绿线恰好和实际观测的红点相吻合[3]。
几个月之后，Eric给我看了这颗恒星的光变数据。与此同时，其他的天文学家也在持续关注这些数据并研究J1407上到底发生了什么。我们提出了几个可能的假设——也许这是一个双星系统？答案是否定的，它的光数据太复杂了。那究竟是什么原因呢？
奇怪的光变曲线背后的真相
唯一行得通的解释，就是我们看到的其实是位于大行星环内的大量小行星环，就跟围绕着土星的行星环一样，在地球和这颗恒星之间运行。
鉴于这颗恒星变暗和变亮的速度如此迅速，我们可以想见，挡住它的行星环的移动速度有多快。将此速度乘以亮度变化的天数，可以估算得到行星环的大小：它的直径大于1.8亿千米！这些行星环的大小相当于金星围绕太阳公转的轨道（见图3），这真是太不可思议了！
图3. 环绕J1407b的行星环的最优模型。绿线显示恒星在行星环后面的运行轨迹。蓝点是J1407b所在的地方，灰色环是超广角行星探测器缺失的数据，不同程度的红色环代表行星环的不同密度[4]。
但是这些行星环在哪里，它们在这颗恒星的周围吗？不是。最简单的解释是，有一个看不见的行星在离J1407很远的地方绕行，行星周围有着巨大的行星环（见图4）——比土星的环还要大200多倍（行星环围成的面积则是四万多倍）（见图5）！
图4. J1407星系的轨道俯视图（左），以及从地球上看J1407星系的轨道（右）。行星J1407b围绕恒星J1407运行。行星环的轨道绕着行星，行星和行星环一起绕着恒星运动。从地球看，J1407b的轨道几乎是在这个星系的边缘，行星环阻挡了恒星的光。
图5. J1407b 的行星环非常大，如果土星也有这么大的行星环，傍晚时我们可以直接用肉眼或者手机相机看到它。如图所示，如果J1407b行星环在土星周围，这就是莱顿大学学术楼顶的天空。
天文学家用母恒星的名字加上字母“b”给行星命名。为什么用“b”而不是用“a”？原因是恒星被认为是星系中的第一个天体，被称为“a”，它周围的行星将是“b”“c”“d”等等。因此，围绕恒星J1407的行星被命名为J1407b。
在土星的历史早期，很有可能有更大的行星环系统，但这些物质已经坍缩，形成了我们今天看到的土星的卫星。J1407b的行星环最终也会坍缩，形成环绕它的卫星。在接下来的几百万年里，这颗行星周围可能形成土星尺寸的行星环。
当数据提示在距离恒星大约400光年外的宇宙中游荡着巨大的天体，我们立刻用世界上最大的望远镜来拍摄这个惊人的星系。虽然望远镜不够强大，无法看到单个的行星环，但也许可以看到在环中心发光的行星。
搜索行星J1407b
行星形成时是一个充满致密热气的球体。而所有温暖的物体都会发出热能，行星也在不断地散发“热光”。热能的波长是可见光波长的三四倍，我们可以借助一种能“看到热”的摄像机来从地球上观测星体，搜寻J1407b。许多快速冷却的小石块组成了行星环，因此无法被这种感热摄像机所探测到。
当用热探测望远镜观察时，我们没有看到恒星J1407附近的天体，但这并不意味着该星系没有行星。我们知道那里有行星环，而行星环的形成需要依靠行星的重力。热探测望远镜的数据说明，这颗行星比我们原先以为的要更小。事实上，如果行星特别小，即使用世界上最大的望远镜，也无法被观测到，因此我们认为J1407周围的行星最多只比木星重80倍，否则是能够观测到它的“热光”的。
恒星J1407相对明亮，可以使用小型望远镜看到，所以我们希望世界各地的业余天文学家都来观测这颗星星，并拍摄照片。我们现在正在等待行星环再次移动到恒星前，不过，这一定会发生吗？已有数据推测它将在未来10年内发生，可能在明天就开始了——所以最好继续密切关注，耐心等待。
在数码相机还没有如今这般流行的时代，天文学家用的是感光板来拍摄天空的影像。感光板是像脑袋大小的薄玻璃片，表面涂有特殊的光敏化学物质，当有光线照射时，它由透明变成黑色。天文学家将感光板放入望远镜中，瞄准天空静静观察数小时，再用化学试剂在暗房中冲洗，望远镜所拍摄的天体就能在感光板上呈现出黑色斑点。
一百多年间，人们拍摄了数十万张照相板。哈佛天文台收集了很多这样的感光板，正在使用专用扫描照相机将其传到电脑上。所得到的这些旧数据可以被用来搜索过去是否记录到了J1407被行星环遮挡。现在，这个研究还在进行中。
2017年的宇宙新闻
2017年，有一颗行星会运行到它的恒星前面。这颗恒星被称为绘架座β（beta Pictoris），中文星名为老人增四，它的行星叫绘架座βb，比木星重约10倍。自从2010年被发现以来，人们已经拍到了这颗行星的照片，行星绘架座βb的轨道将在2017年的某个时候移动到恒星前面。我们无法预知确定的时间，因为旁边的恒星非常明亮，导致行星的确切位置很难测量。
在接下来的两年里，通过继续给绘架座β拍照，或许能看到行星环的阴影路过它的样子。如果这一点被观测到，将是非常令人振奋的，因为世界各地的天文学家都可以看到这颗非常明亮的恒星，并同时收集很多数据。
对于恒星J1407，我们正无比耐心地等着行星环路过它，等着将持续两个月的凌星现象。我们会观测到恒星的光度变化吗？行星环到底是由什么物质组成？答案终将揭晓，请大家拭目以待吧！
参考文献
本文的主要内容来自学术论文：Kenworthy, M. A., and Mamajek, E. E. 2015.Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b:sculpting by exomoons? ApJ 800:126. doi:10.1088/0004-637X/800/2/126
其他参考文献：
[1] Charbonneau,D., Brown, T. M., Latham, D. W., and Mayor, M. 2000. Detection of planetary transits across a sun-like star. ApJL 529:45. doi:10.1086/312457
[2] Butters, O. W.,West, R. G., Anderson, D. R., Collier Cameron, A., Clarkson, W. I., Enoch, B.,et al. 2010. The first WASP public data release. A&A 520:10.doi:10.1051/0004-6361/201015655
[3] van Werkhoven,T. I. M., Kenworthy, M. A., and Mamajek, E. E. 2015. Analysis of 1SWASP J140747.93−394542.6 eclipse fine-structure: hints of exomoons. MNRAS 441:2845. doi:10.1093/mnras/stu725
[4] Kenworthy, M.A., and Mamajek, E. E. 2015. Modeling giant extrasolar ring systems in eclipse and the case of J1407b: sculpting by exomoons? ApJ 800:126.doi:10.1088/0004-637X/800/2/126
[5] Lagrange, A.-M., Bonnefoy, M., Chauvin, G., Apai, D., Ehrenreich, D.,Boccaletti, A., et al. 2010. A giant planet imaged in the disk of the young star Beta Pictoris. Science 329:57.doi:10.1126/science.1187187
Frontiers for Young Minds青少年评审：
Jonah（10岁，来自美国北加州，小学四年级学生）：
我喜欢跑步，喜欢阅读各种书籍，包括虚构文学和非虚构文学作品。我也热爱科学，包括物理、空间科学、化学、计算机编程以及生物学。我经常和爸爸讨论科学，一起玩名叫“我的世界（Minecraft）”的电子游戏。我想发明新的东西来改善人们的生活，比如说发明时间旅行机器会很酷哦！
赛先生青少年评审：
张及晨（17岁，来自北京一零一中学，高二学生）
简介：从小热爱科学探索，尤其对天文学科有浓厚的兴趣，曾参加过8年全国中学生天文奥赛并多次获得金牌，三次入选中国国家队，代表国家参加多项国际学科奥林匹克竞赛并均获奖牌，现为北京市中学生天文联盟主席，入选“英才计划”在清华大学物理系天体物理中心学习天文科研，研究成果论文已在国内外学术论坛赛事上获奖。
点评：
天文学的研究推动力是人类对未知宇宙的求知欲。系外行星的搜寻，可能是天文科研领域中对民众吸引程度最高的一个。本文中介绍的测光法是天文观测中十分重要的手段，由于大多情况下我们没有能力对系外行星直接成像，所以需要通过其他手段推测出系外行星的轨道参数。根据数据做出合理假设，也是科研过程中十分重要并有趣的一部分。本文写到的行星环结构也是学者们的假设，至于是否能验证成立，还得靠时间以及大量观测数据的积累。文中提到下一次J1407b的行星环凌星发生的时间可能是未来十年、或者就是明天，形象地体现了不确定性。毕竟，对于宇宙来说，我们人类的时间尺度简直太短暂，百年也不过一瞬而已。
陈一帆（16岁，来自太原五中，高中生）
简介：热爱编程、绘画与运动的理科生，也是“福迷”和“哈迷”。希望能对这个世界有多方位的探索与思考。
点评：
文章很有趣！发现新星的原理很简单，但实际操作并非如此；面对观测现象，找到合理的解释也比理论预测难得多了，因此，在探索过程中总会阻碍重重。这篇文章就是以事情发展的顺序来给我们展示探索之旅，在获得知识的同时，也不断有恍然大悟之感：“哦，原来这个现象是因为有巨大行星环呀！”仿佛自己也随着科学家们一起经历了这一发现过程。另外，我觉得关于绘架座β的内容放在文章末尾有些突兀，虽然原理相同，但它与文章主体没有太大的联系，不妨将其作为一个独立的小文章。
本文译自Frontiers for Young Minds网站。
原文标题：Seeing the Shadow of Rings around a “Super Saturn”
原文链接：http://kids.frontiersin.org/article/10.3389/frym.2016.00025
Copyright Policy：CC BY 3.0
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