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第245章 PSR B1620-26 b「1.0」

pSR b1620-26 b(系外行星)

· 描述:一个存在于球状星团中的古老行星

· 身份:围绕脉冲星pSR b1620-26和白矮星组成的双星系统运行的行星,位于天蝎座m4球状星团,距离地球约光年

· 关键事实:昵称“玛土撒拉行星”,年龄约127亿年,是已知最古老的行星之一。

第1篇幅:光年的“宇宙活化石”——玛土撒拉行星的127亿年守望

陈旧的木质办公桌上,那台老式机械钟的秒针咔嗒作响,与窗外射电望远镜的电磁嗡鸣应和着。林舟的手指在全息星图上摩挲,天蝎座心宿二附近那片稀疏的星区里,一个代号“pSR b1620-26 b”的光点像粒被岁月磨圆的石子,在光年外的黑暗中沉默闪烁。2075年深秋的上海佘山天文台,山雾裹着桂香渗进控制室,他却觉得后颈发紧——屏幕上,这颗围绕“脉冲星—白矮星”双星系统运行的行星,其引力扰动数据正像段被拉长的年轮,在他眼前缓缓展开127亿年的宇宙往事。

“林老师!FASt的脉冲星计时阵列更新了!”实习生小雅举着热牛奶冲进来,杯壁上的水汽在空调冷风里凝成白雾,“pSR b1620-26的脉冲到达时间又偏移了!和上个月的累积偏移量刚好吻合‘行星引力模型’——玛土撒拉行星,真的还在那里!”

林舟凑过去,老花镜滑到鼻尖。三十年前他还是研究生时,在《自然》杂志上第一次读到“pSR b1620-26 b”这个名字,只当是“系外行星”名录里又一个冰冷的符号。谁能想到,这颗昵称“玛土撒拉”的古老行星(玛土撒拉是圣经中最长寿的人,享年969岁),会用近三十年的观测史,从“理论假说”变成人类用引力“触摸”到的“宇宙活化石”?此刻,韦伯望远镜的红外镜头正穿透星际尘埃,将这颗光年外的“时间守护者”的轮廓一寸寸揭开,而团队的“古老行星溯源计划”,也已从“确认存在”深入到“聆听它的世纪低语”。

一、球状星团的“恒星养老院”:玛土撒拉的“出生地”

要讲玛土撒拉行星的故事,得先走进它的“故乡”——天蝎座m4球状星团。这片漂浮在银河系边缘的“恒星养老院”,直径70光年,聚集了超过10万颗恒星,平均年龄120亿年(比太阳系老2.6倍)。这里的恒星像挤在养老院里的老人,彼此挨得很近(恒星间距平均1光年,太阳系周边恒星间距4光年),却又各自沉默,在引力束缚下跳着缓慢的“集体舞”。

“想象一下,”林舟在组会上举着个银杏叶比喻,“银河系像棵大树,旋臂是树枝,球状星团就是树枝上挂着的‘老果球’,里面的恒星全是‘古树籽’——玛土撒拉行星就是其中最老的一颗‘籽’,在果球里躺了127亿年。”

玛土撒拉的“家”很特殊:它不绕单颗恒星转,而是绕着一对“残障双星”——脉冲星pSR b1620-26(一颗高速旋转的中子星,直径20公里,每秒自转11圈)和白矮星(一颗恒星死亡后的残骸,密度比铅高百万倍)。这对双星相距仅0.3天文单位(日地距离的30%),像两个相依为命的老人,共同“抚养”着玛土撒拉这颗“行星孤儿”。

“光年是什么概念?”小雅在科普讲座上摊开手掌,“光从那里出发时,地球上刚出现第一批多细胞生物(埃迪卡拉纪),恐龙还在1亿年后才会登场——我们现在看到的玛土撒拉,是它127亿年前的模样,那时的宇宙刚诞生11亿年,还在‘青春期’。”

二、从“脉冲异常”到“行星确认”:30年追捕“引力幽灵”

玛土撒拉的“被发现”,源于一场持续三十年的“引力捉迷藏”。1980年代,天文学家首次观测到pSR b1620-26的脉冲信号(像宇宙灯塔的闪烁),却发现它的脉冲到达时间总在“不准时”——有时早0.0001秒,有时晚0.0001秒,像被无形的手“拽着晃”。

“当时以为是星际介质散射(星际尘埃让信号‘拐弯’),”林舟翻出1990年的观测日志,泛黄的纸页上还留着蓝黑墨水的印子,“直到1993年,美国宾夕法尼亚州立大学的团队用‘脉冲星计时阵列’分析,才发现这种‘晃动’有规律:每半年重复一次,幅度刚好符合一颗0.01倍太阳质量天体(约3倍木星)的引力扰动——那可能是一颗行星!”

这一假说在当时引发争议。反对者认为:“球状星团里的恒星密度太高,行星早该被‘弹’出去了!”“脉冲星辐射太强,会把行星大气层‘吹’光!”但支持者坚持观测,用哈勃望远镜寻找“行星凌星”(行星从脉冲星前方经过时遮挡光线),却因距离太远(光年)一无所获。

转机出现在2003年。韦伯望远镜的前身——斯皮策太空望远镜,用红外眼捕捉到双星系统的“引力透镜效应”:当玛土撒拉运行到地球与双星之间时,它的引力会像“宇宙放大镜”,短暂放大双星的光。数据分析显示,这颗“透镜天体”的质量、轨道半径(23天文单位,比天王星远)完全符合“行星”定义——玛土撒拉,终于从“假说”变成“实体”。

“确认它存在的那天,团队在观测室喝了三箱啤酒,”林舟笑着回忆,“有人说它像‘宇宙钉子户’,在球状星团里住了127亿年;有人说它是‘时间胶囊’,藏着早期宇宙的秘密——没人想到,这颗‘老古董’会成为系外行星研究的‘活教材’。”

三、127亿年的“年龄密码”:宇宙“创世记”的见证者

玛土撒拉最震撼的标签,是它“127亿年”的年龄——比宇宙(138亿年)年轻11亿年,比地球(46亿年)老2.76倍,是目前已知最古老的行星之一。这个年龄如何测定?答案藏在它围绕的“双星父母”里。

脉冲星pSR b1620-26是颗“毫秒脉冲星”(高速旋转的中子星),由一颗大质量恒星(约8倍太阳质量)死亡后坍缩而成。通过测量它的自转减速率(每秒慢0.00000001秒),天文学家推算出它诞生于126亿年前。而白矮星是另一颗恒星(约1倍太阳质量)死亡后的残骸,年龄约125亿年。玛土撒拉作为“后来者”,在双星系统形成后不久(约1亿年内)诞生,因此年龄约127亿年(126亿+1亿)。

“这像给宇宙写‘族谱’,”小雅用家谱比喻,“宇宙是‘曾祖父’(138亿年),脉冲星和白矮星是‘祖父’(125-126亿年),玛土撒拉是‘父亲’(127亿年),太阳系是‘孙子’(46亿年)——我们居然找到了‘父亲辈’的行星!”

更神奇的是它的“生存智慧”。球状星团m4的恒星密度极高,超新星爆发频繁(每百万年1次),按理说玛土撒拉早该被“炸飞”或“烤焦”。但观测发现,它运行在“安全轨道”上:距离双星23天文单位(比海王星远50%),且轨道面与双星轨道面垂直(像“立交桥”般错开),避开了大部分辐射和引力扰动。“它像在养老院里找了个‘防空洞’,一躲就是127亿年,”林舟感叹,“宇宙的‘适者生存’,比达尔文说的更残酷,也更巧妙。”

四、脉冲星与白矮星的“引力摇篮”:玛土撒拉的“养父母”

玛土撒拉能“活”到今天,离不开它的“养父母”——脉冲星pSR b1620-26和白矮星。这对“残障双星”的形成史,本身就是一部“恒星死亡与重生”的史诗。

故事要从127亿年前说起:m4球状星团刚形成时,一片分子云里同时诞生了三颗恒星——A星(8倍太阳质量,未来成脉冲星)、b星(1倍太阳质量,未来成白矮星)、c星(0.5倍太阳质量,未来成玛土撒拉)。起初,三颗星在引力牵引下跳“三人舞”,c星绕Ab双星系统运行。

50亿年后,A星燃料耗尽,核心坍缩成脉冲星(高速旋转的中子星),爆发超新星,但威力较小,没把c星“弹”走。又过了50亿年,b星燃料耗尽,膨胀成红巨星,外层物质被脉冲星吸走,核心坍缩成白矮星。此时,c星(玛土撒拉)已绕Ab系统稳定运行了100亿年,成了“行星孤儿”,被“改造”后的脉冲星和白矮星“收养”。

“它的‘童年’很动荡,”林舟用人生阶段比喻,“前100亿年在‘三口之家’长大,后27亿年变成‘孤儿’,被‘养父母’带着在球状星团里漂泊——但正是这种‘动荡’,让它见证了宇宙从‘恒星诞生潮’到‘星系稳定期’的转变。”

观测还发现,玛土撒拉的大气层可能保留了“早期宇宙成分”。球状星团m4的金属丰度(重元素含量)仅为太阳的1%(金属丰度低意味着形成时间早),玛土撒拉作为其中的行星,大气中可能含有大量氢、氦和微量锂(宇宙大爆炸后最早形成的元素)。“如果未来能直接探测它的大气,”小雅兴奋地说,“就能知道127亿年前的宇宙‘空气’是什么味道——像刚开封的氢气球,带着一丝锂的咸味。”

五、古老行星的“宇宙意义”:改写“行星形成时间表”

玛土撒拉的发现,彻底改写了人类对“行星形成”的认知。此前理论认为,行星只能在“年轻恒星”(如太阳,46亿年)周围的“原行星盘”里形成,因为需要恒星的辐射和引力“孵化”。但玛土撒拉证明:在宇宙“青春期”(大爆炸后11亿年),当星系还在“组装”时,行星就能在“多星系统”里诞生。

“这像发现‘恐龙时代的哺乳动物’,”林舟在《科学》杂志的评论文章中写,“我们以为行星是‘恒星的附属品’,没想到它们能在恒星‘死亡重组’后‘捡漏’存活,甚至在‘恒星养老院’里‘出生’——宇宙的‘创造力’,远超想象。”

团队用计算机模拟玛土撒拉的“诞生场景”:127亿年前,m4球状星团刚形成,三颗恒星周围的气体尘埃盘相互重叠,c星(玛土撒拉)在盘的交叠区吸积物质,像在“共享食堂”里吃饭,慢慢长成行星。“它的‘食堂’很简陋,”小雅模拟道,“金属丰度低,只有氢氦和少量冰粒,所以长得慢(质量3倍木星),但足够结实——像用劣质砖头盖的房子,却能扛住127亿年的风雨。”

更深远的意义在于“生命起源的可能性”。虽然玛土撒拉的大气层可能因脉冲星辐射而稀薄,但科学家推测,在它“童年”的三星系统中,可能存在过“液态水窗口”(温度0-100c)。“如果那时有简单的微生物,”林舟开玩笑说,“它们可能是宇宙中‘最古老的公民’,比地球生命早80亿年诞生——可惜我们找不到证据了。”

六、深夜的“时间对话”:与127亿年前的“守望者”共鸣

2075年冬至夜,林舟独自留在佘山天文台的控制室。窗外,山雾在射电望远镜阵列间流淌,玛土撒拉的方向,那颗“宇宙活化石”正带着它的“双星养父母”慢慢旋转。屏幕上,最新的脉冲星计时数据显示,它的引力扰动依旧规律,像位坚守岗位的哨兵,在光年外记录着时间的流逝。

“127亿年前,它刚在分子云里‘出生’,”林舟对着屏幕轻声说,“那时宇宙还没有银河系,没有太阳,没有地球——它却已经开始了‘守望’,用引力‘写日记’,用轨道‘记年轮’。”他调出1993年首次发现“脉冲异常”的观测日志,旁边的注释是“疑似仪器误差,待复查”。

此刻,韦伯望远镜的副镜还在转动,收集着光年外的红外信号。那些信号穿越星际尘埃,像封来自“时间源头”的信,写着:“看,我用了127亿年等你,用脉冲星的闪烁当秒针,用白矮星的引力当罗盘——这就是我能给你的,最古老的‘宇宙问候’。”

林舟关掉电脑,走到窗前。天蝎座的星群在冬夜中闪烁,玛土撒拉的位置,那粒“微弱的光点”旁,脉冲星和白矮星的“双星舞”仍在继续。他知道,下一次观测,团队会发现更多秘密:它的自转周期、大气成分、甚至是否有“卫星”在古老轨道上陪伴它。

而我们,这群“宇宙考古学家”,会继续用望远镜“读”着它的故事,直到有一天,能真正听懂“127亿年守望”的意义——那将是宇宙给人类的“时间启示录”,告诉我们:在138亿年的时空里,有些存在,只为见证时间的本身。

第2篇幅:光年的“时间密信”——玛土撒拉行星的127亿年细节

2075年深冬的佘山天文台,积雪压弯了松枝,观测室的暖气却烘得人鼻尖冒汗。林舟盯着屏幕上跳动的曲线,那是FASt射电望远镜传回的“脉冲星计时阵列”最新数据——pSR b1620-26的脉冲信号像精准的钟表,却在小数点后第七位藏着微弱的“颤动”,像127亿年的时光在轻轻叩门。实习生小雅捧着热可可凑过来,杯口的白气模糊了她眼镜片:“林老师,这颗‘老行星’的心跳,咱们终于听清了。”

一、FASt的“引力听诊器”:捕捉127亿年的心跳

确认玛土撒拉行星存在的三十年里,天文学家始终在破解它的“引力密码”。脉冲星pSR b1620-26每秒自转11圈,发出的射电脉冲像宇宙灯塔的光束,若周围有行星,其引力会像“无形的手”拽动光束,导致脉冲到达地球的时间出现周期性偏移——这就是“脉冲星计时阵列”的原理。

“以前用美国的阿雷西博望远镜,精度只能测到0.001秒偏移,”林舟指着屏幕上的波形图,“现在FASt的‘中国天眼’口径500米,灵敏度提升10倍,连0.0000001秒的颤动都能抓住。”2024年冬天,团队首次用FASt观测到pSR b1620-26的脉冲偏移呈“正弦曲线”,周期约为半年(182天),振幅对应一颗质量2.5倍木星的天体——这正是玛土撒拉行星的“引力签名”。

更惊人的是偏移的“非线性特征”。小雅用钢琴键比喻:“如果行星轨道是正圆形,偏移应该像匀速敲琴键;但玛土撒拉的偏移忽快忽慢,像有人在弹变调曲——这说明它的轨道有点‘椭圆’,最近时离双星22天文单位,最远时24天文单位,像在跳‘引力华尔兹’。”这种微小的轨道偏心,反而证明它已在双星系统中稳定运行了百亿年:若轨道不稳定,早该被引力“甩”出去了。

二、行星的“身体检查”:3倍木星的“老巨人”

玛土撒拉行星到底长什么样?用韦伯望远镜的红外成像结合引力模型,科学家给它画了张“肖像”:质量约2.5倍木星(地球的795倍),直径约1.2倍木星(能装下1300个地球),像个裹着厚棉袄的“老巨人”。它的密度却比木星低15%,说明大气层更蓬松——像裹着石头核。

“想象把木星扔进冰箱冷冻十年,”小雅在科普课上用手比划,“木星会缩紧,但玛土撒拉在宇宙低温里‘泡’了127亿年,大气层里的氢氦气体像被冻住的云,反而膨胀了。”观测发现,它的大气上层飘着甲烷冰晶(温度-180c),中层是氨云(像地球的卷云),下层可能是液态金属氢(高压下的奇特状态)——这层“金属氢海洋”深度达1万公里,比地球海洋深2000倍。

最神奇的是它的“磁场”。脉冲星pSR b1620-26的辐射极强(相当于1000亿个太阳的亮度),按理说会剥离行星大气,但玛土撒拉竟保留着微弱的磁场(强度是地球的1%)。林舟解释:“它的核心可能是固态铁镍,像地球的地核,旋转时产生磁场——这层‘磁盾’挡住了大部分辐射,像给行星穿了件‘防辐射服’。”

三、与地球生命的“跨时空对话”:如果它曾有过春天

玛土撒拉行星的年龄比地球老2.76倍,它是否见过“生命的可能”?球状星团m4的环境虽恶劣(恒星密集、超新星频发),但在它“童年”的三星系统中(三颗恒星共存时期),或许存在过“液态水窗口”。

“127亿年前,m4球状星团刚形成,恒星还很年轻,辐射没那么强,”林舟翻出计算机模拟图,“玛土撒拉绕三颗恒星运行时,距离最近的那颗恒星(未来的脉冲星)提供的热量,可能让它的某个区域温度维持在0-50c——像地球的温带,可能有液态水湖泊。”

团队在尘埃盘模型中加入了“有机分子合成”模块:早期宇宙的氢、氦、锂在恒星风中混合,与冰粒反应生成甲醛、氰化氢(构成蛋白质的基础)。玛土撒拉的大气层可能残留着这些“生命积木”,浓度虽低(百万分之一),却足够让简单微生物“搭房子”。“如果那时有细菌,”小雅眼睛发亮,“它们可能是宇宙中最早的‘居民’,比地球生命早80亿年诞生——可惜超新星爆发后,辐射摧毁了一切。”

更令人唏嘘的是“时间错位”。当地球在46亿年前诞生时,玛土撒拉已在宇宙中“流浪”了81亿年,见证了银河系从“原始星系”变成“成熟螺旋”;当恐龙在6500万年前灭绝时,它正绕着脉冲星和白矮星跳着稳定的“双人舞”。它的“一生”,浓缩了宇宙从“混沌”到“秩序”的大部分篇章。

四、未来的“星际信使”:我们如何读懂它的“日记”

尽管距离遥远(光年),科学家仍想“读懂”玛土撒拉的“日记”。下一代望远镜(如计划中的“中国巡天空间望远镜”)将搭载更高精度的光谱仪,试图捕捉它大气层的“指纹”——不同分子会吸收特定波长的光,像给行星做“血液化验”。

“如果能检测到水蒸气或氧气,”林舟说,“就能证明它现在还有大气;如果找到重元素(如铁、硅),说明它在形成时吸积了更多尘埃——像老人回忆童年吃过的糖果。”更野心勃勃的计划是用“引力透镜”放大信号:当某颗前景星恰好经过玛土撒拉与地球之间时,它的引力会像“宇宙放大镜”,让行星的光增强1000倍,或许能拍到模糊的“行星轮廓”。

团队还在模拟“星际探测器”的可能性。理论上,若发射一艘速度10%光速的飞船(目前最快探测器速度的2000倍),到达m4星团需12.4万年——比人类文明史还长。“但我们不是在‘送快递’,”小雅笑着说,“是在给未来的人类留张‘星际名片’:告诉他们,我们的祖先曾在127亿年前的行星身上,看到了时间的形状。”

五、深夜的“守望者之问”:宇宙为何保留这颗老行星

2075年除夕夜,林舟和小雅留在观测室值班。窗外烟花在夜空中炸开,屏幕上的玛土撒拉数据却平静如常——它的引力扰动依旧规律,像位历经沧桑的老者,对人间烟火毫无波澜。

“为什么宇宙保留了它?”小雅突然问,“超新星爆发、恒星碰撞、引力弹弓,这么多危险,它怎么活下来的?”林舟指着星图上的m4星团:“你看,球状星团像宇宙中的‘避难所’,恒星虽多但引力平衡,玛土撒拉选对了轨道(23天文单位,远离恒星密集区),又赶上了‘双星重组’(脉冲星和白矮星形成后引力稳定)——这是运气,也是宇宙的‘适者生存’。”

他想起三十年前导师的话:“宇宙从不偏爱‘强者’,只偏爱‘适应者’。玛土撒拉不是最亮的星,不是最大的行星,却用127亿年的‘低调’,成了时间的见证者。”此刻,韦伯望远镜的红外镜头正对准m4星团,收集着玛土撒拉反射的微光——那光穿越年时空,像封迟到的信,写着:“我见过宇宙的第一缕光,听过恒星的临终叹息,现在,我把故事讲给你们听。”

林舟关掉电脑,走到窗前。天蝎座的星群在冬夜中闪烁,玛土撒拉的位置,那粒微弱的光点旁,脉冲星和白矮星的“双星舞”仍在继续。他知道,这颗“老行星”还会继续守望下去,直到宇宙热寂的那天——而人类,不过是它漫长生命中,偶然抬头望了一眼的“过客”。但这眼回望,已足够让我们明白:在138亿年的时空里,每一颗行星的坚持,都是对“存在”本身最深的敬意。

说明

资料来源:本文内容基于NASA系外行星档案(NASA Exoplanet Archive)pSR b1620-26 b条目、欧洲空间局(ESA)詹姆斯·韦伯太空望远镜(JwSt)m4星团观测报告、宾夕法尼亚州立大学pSR b1620-26研究团队1993年《自然》论文(A planet orbiting a binary millisecond pulsar)、中国科学院国家天文台FASt脉冲星计时阵列公开数据,以及《科学》《天文学报》相关综述文章。

语术解释:

脉冲星计时阵列:通过长期监测脉冲星(高速旋转的中子星)发出的射电脉冲到达地球的时间变化,探测其周围是否存在行星等天体的引力扰动,类似用“宇宙钟表”的走时偏差“称”出天体质量。

引力透镜效应:大质量天体(如行星、恒星)的引力会弯曲周围时空,像“宇宙放大镜”一样放大或扭曲背景星光,可用于探测暗弱天体。

球状星团:由数万至数百万颗恒星组成、受引力紧密束缚的球形星团,多位于星系晕中,成员星年龄古老(通常100亿年以上),如m4星团是银河系中距离地球最近的球状星团之一。

金属丰度:天文学中“金属”指氢、氦以外的所有元素,金属丰度即恒星或行星中重元素的占比,低金属丰度通常意味着天体形成于宇宙早期。