系外行星的微电影

　　北落师门b环绕中心恒星运动视频截图，箭头所指蓝点为北落师门b。 （Jason Wang/图）
　　伴随着天文学家对系外行星的不懈探索，我们正在对遥远的行星世界有更多的了解。受到观测能力的限制，目前我们能直观＂看到＂的系外行星的图像绝大多数是天文学家基于观测数据绘制的艺术想象图而非真实图像，但美国西北大学的天文学家王劲飞（Jason Wang）在2023年1月发布的一段时长为6秒的视频，却形象展示了一个系外行星系统的4颗行星围绕中心恒星公转的真实情景。
　　寻找系外行星
　　1995年，天文学家首次在类日恒星周围发现系外行星飞马座51b（51 Pegasi b），真正揭开了人类探索系外行星的序幕，两位发现者米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·克罗兹（Didier Queloz）因此获得了2019年诺贝尔物理学奖。此后，借助开普勒空间望远镜等空间探测器和地基天文台，天文学家发现的系外行星的数量不断增加。截至2023年2月16日，天文学家已经在3921个行星系统中发现了5250颗系外行星，同时还有9208颗待确认的候选者。
　　在寻找系外行星的过程中，天文学家会使用凌星法、视向速度法、直接成像法等方法，其中使用较多的是前两种方法，目前发现的系外行星约有95%来自这两种方法，例如天文学家就是使用视向速度法发现了飞马座51b。但是，这两种方法的应用也有局限性：视向速度法适用于质量大、公转周期短的系外行星，而凌星法适用于半径大、公转周期短的系外行星。天文学家使用直接成像法发现的系外行星数量不多，到目前为止只有15颗，但这种方法可以用来寻找那些距离母星较远的系外行星。
　　2008年11月，天文学家首次公布了他们使用直接成像法发现的系外行星系统。他们使用位于美国夏威夷莫纳克亚山顶的两个天文台——凯克天文台（W.M.Keck Observatory）和双子座天文台（Gemini Observatory）的望远镜，发现了系外行星系统HR 8799。王劲飞这次发布的视频所展示的正是这个系统。
　　这个系统位于飞马座，距离地球130光年左右，中心恒星质量为太阳的1.5倍，比太阳亮差不多5倍。目前，天文学家发现这个行星系统有4颗行星，其中有3颗是在2008年发现的，第4颗行星的发现则是在2010年被公布。不过，天文学家后来发现，其实早在1998年，哈勃空间望远镜上的NICMOS设备就观测到了前3颗行星，只是在一种新的图像处理技术被开发出来之后，这3颗行星的观测数据才被识别出来。
　　合成运动视频
　　王劲飞在美国康奈尔大学获得物理学与计算机科学双学位后，在加州大学伯克利分校获得了天体物理学博士学位，目前在美国西北大学担任助理教授。HR 8799系统被发现的消息公布后，当时还是学生的王劲飞就对这个系统产生了兴趣。从那时起，他和同行每年都申请凯克天文台的观测时间，对这个系统进行观测。到2015年的时候，他们已经在7年时间里进行了8次拍摄。2017年，王劲飞发布了利用这8次拍摄获得的图像制作的行星运动视频。
　　到了2021年，观测已经进行了12年，王劲飞用获得的10张图像合成了这次发布的更新版视频。观测天文学面临僧多粥少的局面，无论是地基望远镜还是空间望远镜，大型望远镜的观测时间都非常宝贵，要在很多提出使用申请的天文学家之间进行分配。因此，他们在12年的时间里，也只进行了10次观测。
　　这段视频中的4个蓝点代表系统中的4颗行星，但并未展示出4颗行星的完整轨道。这是因为这4颗行星同母星的距离较远，公转周期都很长，12年只能记录轨道的一小部分。4颗行星由内向外分别为HR 8799e、HR 8799d、HR 8799c和HR 8799b（在一个行星系统中，通常以发现的先后顺序从b开始以小写英文字母命名系外行星，而a代表这个系统的中心恒星），其中第4颗发现的行星HR 8799 e距离母星最近，但同母星的距离仍然为日地距离的15倍，公转周期大约为45年，而距离母星最远的一颗行星HR 8799b的公转周期接近500年。
　　在制作这个视频的过程中，王劲飞使用了自适应光学技术来修正由于地球大气的变化所带来的图像变形。视频中中心位置被黑色圆圈遮挡的部分是恒星，王劲飞和同行使用日冕仪观测这个系统，并用图像处理算法对图像进行了处理，以此消除恒星的强光，否则会因为恒星的光线太强而无法观测行星。同时，王劲飞使用了一项在视频编辑和电视节目制作中经常用到的技术——运动插值（motion interpolation），利用这项技术，他可以把图像中行星的位置连接起来，得到连续的行星运动轨迹。天文学家通过凯克天文台的观测，发现这4颗行星的运行轨道都可以用开普勒运动定律进行预测，这也是王劲飞合成视频的理论依据。
　　王劲飞在美国西北大学官网上表示：＂在通常情况下观察行星运动是很困难的，例如木星或者火星环绕太阳的运动就不明显，因为我们生活在太阳系中，又没有一个俯瞰的视角。天文事件要么发生得很快，要么发生得很慢，所以很难在视频中加以呈现，但是这个视频却在人类的时间尺度上展示了行星的运动。＂
　　王劲飞希望这个视频能够使人们享受令人惊叹的事物。他还表示，虽然观看这个视频在科学上获得不了什么有价值的东西，却能够帮助公众了解天文学家正在研究的内容；用语言来解释科学的精妙之处有时是很困难的，以动画的形式展示科学有助于其他人理解科学的重要意义。
　　除了HR 8799系统的视频外，王劲飞还制作过其他一些系外行星的运动视频，例如北落师门b（Fomalhaut b）。北落师门系统有一个由岩石碎片组成的巨大的环，类似于太阳系中的柯伊伯带，而北落师门b的轨道会直接穿过这个环。王劲飞使用由哈勃空间望远镜历时7年拍摄的5张图片合成了北落师门b的运动视频。
　　HR8799系统中的行星运动视频截图。（Jason Wang/图）
　　探索未知世界
　　HR 8799系统的4颗气态巨行星由于体型巨大而被称为＂超级木星＂（质量大于木星的系外行星），王劲飞则把它们当作是＂大号＂的木星、土星、天王星和海王星。天文学家推测，这几颗行星因为体型巨大，所以相距较远，他们正拭目以待，看看这个系统是稳定的还是其中有些行星会从系统中被抛射出去。
　　从博士阶段开始，王劲飞的研究方向就是系外行星，可以说这些行星运动的视频是他的研究的＂副产品＂。2021年，当时还在加州理工学院进行博士后研究的王劲飞同合作者在《天文学杂志》（The Astronomical Journal）上发表了一篇论文，介绍了他们对HR 8799系统中4颗行星的自转的研究。他们使用凯克天文台的凯克Ⅱ望远镜上的设备进行观测，计算出HR 8799d和HR 8799e的最小自转速度分别为10.1 千米/秒和15 千米/秒。根据行星倾角的不同，这些行星上的＂一天＂可能短则3小时，长则24小时。他们还同时给出了另一颗行星HR 8799c的自转速度上限为不超过14千米/秒。不过在这项研究中，他们还无法确定HR 8799b的自转速度。
　　王劲飞认为，这项研究使得天文学家能以前所未有的精度研究这个行星系统，这样他们不仅对这4颗行星更对宇宙中广泛存在的气态巨行星如何形成获得了更加深刻的理解。在未来的研究中，他们还会对HR 8799系统中的恒星和行星的光谱进行更加深入的研究，以便了解这个系统的形成和演化。
　　在王劲飞看来，通过视频来探索宇宙是工作中最棒的一个部分。他觉得在天体物理学中，科学家大部分时间都在分析数据或者验证猜想，但这次发布的视频则呈现出科学中有趣的部分。这样一段时长仅6秒的＂微电影＂，最终能够引起我们对科学的好奇和对宇宙的敬畏。
　　南方周末特约撰稿 鞠强