可观测Universe第65章 北落师门b

北落师门b (系外行星) · 描述：通过直接成像发现的系外行星 · 身份：围绕明亮恒星北落师门运行的行星距离地球约25光年 · 关键事实：它位于一个巨大的碎片环带中可能是一个正在形成核心的冰质巨行星。

北落师门b：25光年外的“行星婴儿照”与巨行星成长的秘密（上篇） 一、直接成像：在恒星的“探照灯”下捕捉萤火虫 人类对系外行星的认知始终绕不开一个终极难题：如何“看见”行星？ 太阳系内的行星靠反射太阳光被我们观测但系外行星的母星往往比行星亮数十亿倍——打个比方如果把太阳比作北京故宫的探照灯木星不过是100公里外的一只萤火虫要在探照灯的强光中拍到萤火虫的影子几乎是不可能的任务。

直到20世纪90年代天文学家发明了直接成像技术：用特殊的仪器“挡住”恒星的光只收集行星反射或发出的微弱辐射。

这需要两项关键技术的支撑：一是自适应光学通过变形镜实时抵消地球大气的扰动让望远镜的分辨率提升数百倍；二是日冕仪在望远镜镜头前安装一个“人工黑子”精准遮挡恒星的核心光芒只留下周围的暗弱区域。

但即便如此直接成像的系外行星依然凤毛麟角——截至2024年人类仅直接拍摄到约20颗系外行星且几乎都是质量大、距离恒星远的“年轻巨行星”。

而北落师门b（Fomalhaut b）的登场不仅刷新了直接成像行星的“最远纪录”更让人类第一次“亲眼看见”了巨行星形成的关键阶段。

二、北落师门：南鱼座的“宇宙灯塔”与它的碎片环 要理解北落师门b的特殊性首先得认识它的母星——北落师门（Fomalhaut）。

这颗位于南鱼座（Piscis Austrinus）的恒星是夜空中最明亮的恒星之一（视星等1.16相当于在25光年外依然能发出比北极星亮100倍的光）。

它的光谱型为A3V是一颗年轻的“主序前星”（或刚进入主序的恒星）年龄仅约4亿年——比太阳（45亿年）年轻一个数量级质量是太阳的1.9倍亮度是太阳的16倍。

北落师门最着名的特征是它周围那条巨大的碎片环。

早在1983年红外天文卫星（IRAS）就发现这颗恒星的红外辐射异常强烈——这意味着它周围存在大量尘埃这些尘埃吸收恒星的可见光再以红外辐射的形式释放。

1998年哈勃空间望远镜的NICMOS相机用日冕仪拍下了环的清晰图像：这条环的半径约140天文单位（AU1AU=地球到太阳的距离约1.5亿公里）宽度约25AU相当于从太阳到海王星轨道（30AU）的近一半大小。

更惊人的是环的内部有一个明显的间隙——在133AU处尘埃密度骤降形成一个宽度约10AU的“空白带”。

天文学家立刻意识到：这个间隙绝非自然形成一定是一颗行星的引力清空了周围的物质。

根据原行星盘理论行星在形成过程中会通过引力吸引周围的尘埃和气体同时“扫荡”轨道上的残余物质形成环状间隙。

就像建筑工地的挖掘机把周围的沙土堆到两边留下一条干净的通道。

北落师门的这个间隙恰好指向一个位置——距离恒星133AU处那里应该藏着一颗行星。

三、从“疑似点源”到“行星确认”：北落师门b的发现之旅 2008年加州大学伯克利分校的天文学家保罗·卡拉斯（Paul Kalas）和詹姆斯·格雷厄姆（James Graham）团队用哈勃空间望远镜的高级巡天相机（ACS）和近红外相机（NICMOS）对北落师门进行了长达8年的追踪观测。

他们的目标很明确：找到那个清理碎片环的“挖掘机”。

首先ACS的日冕仪拍到了一个微弱的点源——位于碎片环的间隙中心距离恒星约115AU。

这个点源的亮度只有恒星的百亿分之一但通过对比不同年份的图像团队发现它的位置发生了微小变化——正好符合一个轨道周期约1500年的天体的运动轨迹。

接下来NICMOS的红外波段观测进一步确认：这个点源的温度约为-200℃（比海王星还冷）且光谱中没有恒星的谱线——这意味着它不是背景恒星也不是尘埃云而是一颗行星。

2008年11月卡拉斯团队在《科学》杂志发表论文正式宣布发现北落师门b。

这一发现震惊了学界：它是人类历史上第一颗通过直接成像发现的巨行星也是第一颗被确认存在于碎片环间隙中的行星。

更关键的是它的轨道正好对应碎片环的缺口——完美验证了“行星清空环隙”的理论。

但质疑声也随之而来：有人认为北落师门b可能是一团尘埃云而非行星。

为了消除疑虑团队用了10年时间持续观测——通过测量恒星的径向速度（恒星因行星引力产生的微小摆动）他们算出这颗“点源”的质量约为木星的3-10倍（木星质量约1.9×102?千克）。

这个质量刚好落在“巨行星”的定义内（小于13倍木星质量的为行星大于则为褐矮星）。

至此北落师门b的“行星身份”终于坐实。

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