人類認識宇宙的里程碑
中國科學院上海天文臺 趙君亮
天文學是最古老的自然科學學科之一。人類正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位經歷了漫長的過程，這一過程與歷史上許多著名學者的辛勤勞動——細緻的觀測和深入的理論研究——是密切不可分的。
從托勒密到哥白尼
早在西元前4世紀，古希臘哲學家亞里斯多德就已提出了"地心說"，即認為地球位於宇宙的中心。西元140年，古希臘天文學家托勒密發表了他的13卷巨著《天文學大成》，在總結前人工作的基礎上系統地確立了地心說。根據這一學說，地為球形，且居於宇宙中心，靜止不動，其他天體都繞著地球轉動。這一學說從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復始的現象，又符合上帝創造人類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義，因而流傳時間長達1300餘年。
早在兩千多年前，古希臘天文學家阿裡斯塔克就已提出了樸素的"日心說"。他指出，太陽位於宇宙中心靜止不動，地球則繞著太陽運動，同時又繞軸自轉。可惜由於科學水準的限制，這一天才的思想未能為人們所認識。直到中世紀末，由於用托勒密地心體系推算出來的行星位置與實際天象的觀測結果不符，人們才開始懷疑地心說的正確性。1543年，波蘭天文學家哥白尼在他的不朽名著《天體運行論》中系統地提出了日心說。在他闡釋的日心體系中，太陽居於宇宙的中心，地球和其他行星沿著圓形軌道繞太陽運行。這樣一來，托勒密地心體系中需要用極為複雜的運動圖像來解釋行星運動天象的煩瑣的工作一下子變得十分簡單。後來，德國天文學家開普勒指出，行星繞太陽運動的軌道應該是橢圓而不是圓，太陽位於橢圓的一個焦點上。這一重大發展使得觀測結果完全可以用理論來加以解釋和預報，日心說的地位進一步得以鞏固。
按照日心學說，就地球上的人來看，天上恒星的位置應隨著地球繞太陽運動而發生變化。在哥白尼提出日心說後的近300年中，人們進行了大量的觀測，企圖證明這一點，可是始終沒有成功。原來，恒星離開地球十分遙遠，最近的一顆也遠達43萬億千米。因此，地球圍繞太陽運行造成的這顆恒星的位置變化只有12.5。恒星越遠，這一變化也越小，當時的觀測儀器是無法探測到的。直到1838年，德國天文學家白塞爾才首次利用三角方法測出一顆名為天鵝61的恒星的位置變化，並推算出它的距離為11.2光年，從而最終證實了哥白尼的日心地動學說。地球的地位從居宇宙之中的特殊天體降為繞太陽運動的一顆普通行星。
太陽並不位於宇宙中心
1608年，荷蘭人李波爾賽在一次偶然的機會中發明了望遠鏡。翌年，義大利物理學家、天文學家伽裡略在得知這一消息後，立刻親自動手製作了第一架天文望遠鏡，並不斷加以改進。伽裡略利用他的望遠鏡發現了月球表面的環形山、金星月相、木星的衛星、太陽黑子，發現了茫茫銀河由無數個恒星所組成。
早在15世紀中葉，德國大主教尼古拉就已猜測黑夜天穹中的恒星都是一個個十分遙遠的太陽。1584年，義大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠的太陽，太陽只是無數個恒星中的普通一員。1750年，英國天文學家賴特指出，銀河和所有觀測到的恒星構成一個巨大的扁平狀天體系統，由於太陽連同地球位於這一系統的內部，從不同方向觀測才看到了銀河和離散分佈的點點繁星。1785年，英籍德國天文學家威廉·赫歇爾利用他自製的當時世界上最大的46釐米望遠鏡，通過長期的實際觀測，並經過精心的分析研究，建立了第一個銀河系模型。在這一模型中，太陽仍然位於當時人們所認識的宇宙範圍——銀河系的中心。由於赫歇爾個人在當時的威望，這一觀念一直維持了130餘年之久。
恒星這一名稱，無論在中國還是在西歐，它的含義都是"恒定不動的星體"。因為在很長時間內人們都發現恒星間現對位置固定不動，故而取了這麼個名字。1718年，英國天文學家哈雷通過觀測和分析，首次指出恒星不動的概念是錯誤的。後來，赫歇爾正確地認識到，我們所觀測到的恒星運動是由恒星自身的運動和太陽的空間運動兩部分合成的結果。1783年，他通過對所觀測到的大量恒星運動的統計分析，發現太陽以大約每秒20千米的速度朝著織女星方向運動。太陽空間運動的發現徹底動搖了哥白尼日心體系中太陽固定不動的觀念。
1917年，美國天文學家沙普利通過對銀河系內天體分佈的分析，確認太陽並不位於銀河系的中心，而是處於相對說來比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇爾銀河系模型的錯誤。這樣，太陽的地位也發生了變化，從居於銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。
天外有天
銀河系是否已經包括了宇宙的全部內容呢？
早在赫歇爾嘗試確定銀河系結構之前，人們就已觀測到天空中除恒星外還存在著一些暗弱而又模糊的雲霧狀天體，取名為"星雲"。比如，1612年德國天文學家馬里烏斯率先用望遠鏡發現了仙女大星雲。1750年賴特天才地猜想，這類星雲中有一些可能是同銀河系相似的巨大恒星系統。1755年德國人康得首次明確提出在銀河系外的宇宙空間中存在著無數個類似的天體系統，稱為銀河外星系，或簡稱星系，甚至確指仙女大星雲即是一個很好的例子。可是當時人們對星雲的精細結構缺乏瞭解，更不知道它們的距離，無從妄下斷語。
儘管在赫歇爾時代之後，觀測手段不斷改進，物理學研究方法不斷介入天文學，但直到20世紀初，關於星雲的本質仍然沒有明確的定論。在1920年4月美國科學院以"宇宙的尺度"為題的辯論會上，以柯帝士為首的一方認為一部分星雲實際上是銀河外星系，而以沙普利為代表的一方堅持反對的立場，這就是天文學發展史上頗為有名的"沙普利——柯帝士之爭"。爭論雙方對立的觀點相持不下，勝負難決，問題的關鍵在於準確測定星雲的距離。
天文學家始終為測定不同天體的距離而進行不懈的努力。除了三角測量方法外，又發展了由光度測量確定天體距離的各種辦法，其中之一就是利用一種有特殊光度變化特性的變星——造父變星。原來，造父變星光度的變化十分有規則，而且光度越大光變週期也越長。因此，只要測出造父變星的光變週期，就可以推算出它的實際光度，再把實際光度與觀測到的亮度進行比較，就可以推算出它的距離來了。這種推算相當準確，因而造父變星有"量天尺"之稱。20世紀初，美國威爾遜山天文臺建成了當時世界上最大口徑的2.5米天文望遠鏡。1923年10月6日，美國天文學家哈勃利用這台望遠鏡拍攝了仙女星雲的照片，照片上星雲的外緣已被分解成一顆顆恒星。哈勃從中發現了多顆這類變星。利用這些造父變星，哈勃推算出仙女星雲的距離為225萬光年，遠遠超出銀河系範圍。銀河外星系的存在最終得以確認，仙女星雲應該更名為仙女星系，一場曠日持久的科學爭辯終於有了結論。
赫歇爾的工作把人們的視野擴大到銀河系，而哈勃的發現又進一步把人們從恒星世界帶入星系世界，人類對宇宙的認識又大大地跨進了一步。我們的地球在宇宙之中毫無特殊之處可言，地球不是上帝刻意安排的，人類自然也不是上帝創造的。不過，就是在這樣一顆行星上，人類演出了光輝燦爛的文明史，並最終正確地認識了宇宙的概貌。
http://www.astron.sh.cn/jiangzuo/milestone.html
擁抱新“太陽系”
中國科學院上海天文臺 林清
熱鬧的新“太陽系”家族
宇宙是無限的嗎？宇宙的其它角落裡還有象我們一樣的世界嗎？人類自有史以來就一直為這樣的問題而爭論不休。哥白尼的日心革命終於將地球趕出了宇宙中心，勇敢的布魯諾則高舉無限宇宙的大旗，堅信宇宙沒有中心，世界無限多樣。偉大的天才雖被邪惡的宗教裁判所燒死在火刑柱上，然而科學的真理卻是燒不死的，如今太陽系的概念已經家喻戶曉，太陽只是宇宙間一顆普通的恒星也已成為常識，然而億萬恒星之中，是否還有象我們一樣的行星系統呢？十年之前，我們的觀測技術還難以作出直接的回答，太陽系孤零零地飄浮在漫漫星海之中，不知何處可有自己的親
戚？
1999年4月，國際天文界傳出一條爆炸性新聞，英澳天文臺和加里福利亞大學等4個天文機構的天文學家們以強有力的證據宣佈發現了一個由三顆行星環繞中央恒星運轉的日外行星系統 ( Extrasolar System ) ，仙女座υ星和它周圍的三顆大行星成為第一個真正意義上的新"太陽系"。實際上，科學家們10年前開始探索日外行星的艱難歷程在1995年10月就已得到了回報，日內瓦天文臺的梅爾等天文學家在飛馬座51這顆星的周圍發現了第一顆太陽系以外的行星，從那時到現在，天文學家們已經在46顆恒星周圍發現了日外行星系統。看來，銀河系中的確充滿了各種各樣的行星系統，太陽系在宇宙之中已經不再孤獨。
太陽系的親戚們都是什麼模樣呢？讓我們先來看一看最新發現也是最為龐大的日外行星系統－仙女座υ星和它的行星系統，這是一顆北半球肉眼即可見的亮星，距離我們44光年，大約已有30億年的年齡。它的三顆行星從裡向外依次被科學家們暫時命名為b,c和d星，它們與中央恒星的距離分別為0.06,0.83和2.50天文單位，品質(本文中的行星品質實為Msin i，其中i 為軌道平面的法線與視線的夾角。)分別為木星品質的0.71,1.98和4.11倍，繞中央恒星公轉週期分別為4.62天，241天和1269天，右圖對它們的軌道和太陽系行星的軌道作了比較。
與太陽系相比，目前發現的日外行星系統有許多明顯不同的特徵。首先是新發現的日外行星品質都很大，其中最小的為木星的40％，最大的為木星的11倍！更為奇特的則是這麼大的行星卻距離其中央恒星很近，最近的不足0.042天文單位，比水星和太陽的距離（0.387天文單位）還要近得多。另外，這些日外行星還有一個特點，除少數幾個離恒星特別近的行星外，大部分都具有很大的偏心率，也就是說都在一個非常扁的軌道上繞恒星運轉。
蛛絲馬跡覓星蹤
為什麼日外行星系統遲至4年前才被發現，又為什麼能在短短的幾年內迅速發現這麼多的行星系統呢？實際上，我們即使用最現代的技術，即使是現在也依然無法直接觀測到太陽系之外其它恒星周圍的行星。恒星距離我們極遠，最近的也有4.3光年之遠，行星與恒星的距離在地球上看去分開的角距極小，難以分辨，更重要的是，行星與恒星不同，靠著反射才發出微弱的光，其亮度與恒星的反差極大，我們難以看到它就好象大白天難以在太陽附近發現月亮一樣。
要發現這樣暗弱的行星系統，科學家只能借助間接的技術手段--從分析恒星運動的微小變化中去找出行星可能存在的蛛絲馬跡。其原理是這樣的，恒星和行星之間通過萬有引力相互作用，造成行星繞恒星公轉，而恒星實際上也在圍繞一個非常小的橢圓型軌道運動，這種運動在天球面上表現為劃出一個微小的橢圓，而在我們的視線方向上則表現為前後擺動。
然而恒星的這種受擾運動從遙遠的地球上看來仍然太小了，如果從一個離我們30光年處的地方來看太陽系，那麼太陽在大行星作用下在天球面上劃出的橢圓幅度僅為一度的百萬分之七，用目前最大的望遠鏡也難以分辨。所幸我們還有另外一種運動可以利用，那就是前後擺動，對這種運動的檢測是用一種叫做"多普勒位移"的技術來實現的。
恒星的星光經過一種叫做"攝譜儀"的特別儀器後，會被分解為一串光譜，光譜中會有一些特定的譜線，如果恒星前後擺動，這些譜線就會表現為左右移動，物理學上稱為"多普勒效應"，通過這種效應可以把對恒星前後運動的檢測變成譜線左右移動的檢測，當然這種移動也是極微小的，直到九十年代，技術才發展到可以檢測出這種微小的光譜移動，要求的測量精度達到被測波長的億分之一，利用光譜線這種微小的位移，可以推算出環繞中央恒星運動的行星的品質大小，軌道大小和偏心率等基本參數。
科學家們對太陽附近100光年以內數百顆類太陽恒星進行了長期艱苦的運動檢測，功夫終於不負有心人，1995年10月，瑞士日內瓦天文臺的Michel Mayor和Didier Queloz第一次報告說發現了飛馬座51這顆星周圍有存在行星的有力證據，這一發現開創了一個新時代。
抱琵琶半遮面
依靠科學家的智慧，隨著"多普勒"探測行星技術的成熟，一顆又一顆的日外行星被宣佈發現了，然而，我們畢竟還未能直接看到這些行星的真面目，太陽系的親戚們還是猶抱琵琶半遮面。利用引力效應探測行星系統還有著許多局限性。
首先，多普勒技術只有當行星系統的公轉平面側對著我們時才有效，如果公轉平面正好與我們的視線相垂直，我們就看不到其恒星的前後擺動，也就無法用這種方法發現行星系統的存在了。其次，我們用引力探測方法無法得到行星的真正品質，嚴格說來，前面提到的品質都是真實品質和軌道傾角之正弦值的乘積（軌道傾角是指行星軌道平面的垂直方向與視線方向的交角），我們目前仍無法知道真正的軌道傾角是多少，也就只能得到品質的下限值。
如果一顆恒星有多顆行星繞其運轉，小品質行星的引力相對較小，容易被大品質行星的引力作用所掩蓋，所以我們在恒星周圍發現單顆行星相對較為容易些，而發現多行星系統就比較困難，需要更多的觀測資料。例如，仙女座υ星系統中的行星b早在1997年就已宣佈發現，而c和d星則在兩年後在獲得了更多的觀測資料後才得以確認。
儘管如此，天文學家們還是對發現更多的新行星系統和進一步揭開其"面紗"傾注了極大的熱情，加里福利亞大學天文系、哈佛－史密松天體物理研究中心、英澳天文臺等研究機構都有熱心的研究小組在進行著大規模的近距恒星的運動普測，正是在他們的努力下，越來越多的太陽系"親戚"們正在為我們所認識。
未來，人們正在考慮用更先進的技術來搜索日外行星，到2000年，2架10米凱克望遠鏡和亞利桑那大學的雙筒望遠鏡將構成光學干涉陣，有可能發現地球大小的日外行星，而按照美國國家航天局空間干涉儀的計畫，也許2010年左右，人類將可能真正得到日外行星的圖像。
“創世”的新挑戰
新發現的行星系統對傳統的太陽系演化理論形成了巨大的挑戰。日外行星中有半數以上品質大於木星品質，而處於距離恒星小於0.2天文單位的範圍之內。品質大的特點當然是由於我們現有的技術還難以發現小品質的行星（比如地球），但這麼大的行星卻大多數在離恒星很近的地方出現，而且偏心率很大，則是與太陽系截然不同的。經典的行星形成理論大都認為巨行星應該產生在距恒星約4個天文單位之外，難以想像在距恒星如此之近處何以能產生如此巨大的行星。
理論家們已經提出了一些新的理論，例如，一種理論認為這些巨行星可能確是誕生於離恒星較遠的地方，但在行星誕生的早期階段，稠密的粘滯氣體和原行星之間複雜的動力學相互作用會促使原行星以螺旋狀軌道向中央恒星靠近，我們現在觀測到的日外行星大多正處於靠近恒星的過程中。當然巨行星相互之間的碰撞，過路恒星的引力擾動等也都可能導致一部分巨行星向內遷移以及產生較大的偏心率。
行星系統的形成和演化是一個十分複雜而富有挑戰性的課題，眾多日外行星系統的發現為人類最終理解行星系的演化過程提供了寶貴的研究資料，可以想見，隨著觀測資料的日積月累，越來越多的行星系統會展現在我們的面前，那時，我們對行星系統的"創世"過程將會有更為詳盡的瞭解。
呼喚宇宙生命
人類自古就在思索自己是否孤立於宇宙之中，現在終於發現了在太陽系天外有天，人們更急切地想知道，銀河系千億顆恒星中，究竟有多少恒星帶有自己的行星系統，在這些行星系統中，有多少是荒蕪的沙漠，有多少是巨大的氫氣球，又有多少有著繁茂的森林和動物？
日外行星的發現為探索宇宙生命開闢了廣闊的天地。生命顯然不可能在恒星上生存，只有行星才可能發展出複雜的生命形式，大量日外行星的發現使得人類最終發現宇宙生命的可能性大大增強了。根據搜索的恒星樣品數量和發現的行星數量可以估計約10％的類日恒星可能擁有行星系統，也就是說在銀河系中可能有一百億顆行星存在，令人咋舌！
雖然，就目前的觀測手段而言，還很難發現地球大小的行星，也難以瞭解行星的化學成分，更無法直接瞭解這些行星上是否可能存在生命。但我們相信，隨著空間探測技術和光干涉技術的發展，日外行星的神秘面紗最終將被人類掀開，搜索宇宙智慧生命的事業必將展開一個新的篇章。