天文博士毕业论文

我院2017届本科毕业生张雅鹏在《NATURE》发文， 首次在太阳系外行星大气中发现和测量同位素

南京大学天文与空间科学学院 昨天

一国际天文研究团队首次探测到系外行星大气中的 碳同位素13C ，并发现其相对含量高于地球标准（图1）。这有助于研究者们追溯此类行星的形成与演化 历史 。相关研究论文（标题为“The 13CO-rich atmosphere of a young accreting super-Jupiter”）于2021年7月15日在《自然》（Nature）杂志发表。该论文的第一作者 张雅鹏 2017年本科毕业于 南京大学天文与空间科学学院 ，现为荷兰莱顿天文台博士研究生。

图1: 探测系外行星大气中的同位素（想象图） Daniëlle Futselaar

1穆朗玛峰 应用广泛的同位素 同位素（isotope）是指同一化学元素的不同种类。这些同位素虽然质子数目相同，却有着不同的中子数目。例如，包含6个质子以及6个中子的碳原子是最常见的12C，但也有碳原子含有7个或8个中子，称为13C或14C。虽然它们的化学性质相近，但各种同位素的形成过程和对环境的反应却不尽相同。因而，同位素被广泛应用于各种研究领域——从癌症、心血管疾病的检测，到气候变化以及化石年龄的推断等。天文学家亦利用同位素来研究恒星与星际介质的演化，太阳系以及系外行星的起源。

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丰富多样的系外行星

迄今天文学家们已发现超过四千颗系外行星，并且这一数字仍在迅猛增长。而绝大多数系外行星却与我们太阳系内的行星有着巨大的差异。它们或有着极高的质量（例如，“超级木星” super-Jupiter），或占据着的极近的轨道（“热木星” hot-Jupiter）……系外行星的多样性给行星形成理论带来了新的挑战。许多最基本的问题仍困扰着天文学家：行星的形成路径究竟是自上而下，还是自下而上？它们形成于何处？轨道是否迁移？……解开这些谜题的钥匙之一便是系外行星的大气成分，它们如同化石遗迹一般记载着这些行星遥远的过去。

图2: 行星形成环境示意图。行星诞生于恒星周围的原行星盘中，一氧化碳CO是碳元素的主要载体。CO雪线代表CO为气态或固态的分割线。位于CO雪线内侧的两颗行星代表太阳系木星和海王星当前的位置，而TYC 8998 b则远位于CO雪线之外。在如此遥远的距离，大部分CO冻结在固态物质表面，成为行星形成的主要原材料。由于13C更易结合在固态表面，导致最终构成的行星中更富含13C。

3 用同位素追溯系外行星起源 研究者们利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜（VLT），发现在一颗名为TYC 8998-760-1 b的超级木星大气中两种碳同位素的比例不同寻常。这颗行星的重量几乎是太阳系木星的14倍，距离地球300光年。这是天文学家们首次实现对遥远系外行星中同位素的观测。他们利用不同的光谱吸收信号分辨出13CO和12CO（一氧化碳分子的两种同位素形式），并测定两者的相对含量。天文学家们预期星际介质中13C和12C的含量比例约为1:70，但这颗行星大气中的13C却要多一倍。这颗行星大气中13C的“超标”，为我们揭示其可能的起源过程提供了线索 （图2）。张雅鹏解释说：“这颗超级木星距离其宿主恒星十分遥远，是日地距离的160多倍。在如此远距离下，原行星盘（protoplanetary disk）中更多的13C冻结在固体物质表面。而这些固体物质被诞生于此的行星所吸收，造就了如今观测到的富含13C的大气”。 因此，通过测定大气中同位素相对含量，研究者们得以追溯行星形成的位置以及周围的物质环境。

该论文的通讯作者、莱顿大学教授Ignas Snellen说：“这一发现为研究系外行星大气与行星形成之间的关联开辟了一条新的路径。今后，天文学家们将会把同位素观测扩展到多样化的系外行星系统中，向揭秘行星起源更进一步。现在，这仅仅是个开始！”

宇宙中有着大约1000亿个星系，每个星系又包含着大约1000亿个恒星，而这些恒星中的大多数拥有绕着它们旋转的行星，这其中是否存在适合人类繁衍生存的宜居星球？

无论是最近上映的科幻电影《沙丘》，还是刘慈欣的《三体》，宜居星球作为人类苦苦追寻的“归宿”，始终是科幻故事展开的地方。上个世纪五十年代，华裔科学家黄授书提出了文明生存的“宜居带（habitable zone）”理论，系统总结了宜居带的特征，使得人类寻找宜居星球的范围大大缩小，大海捞针般的行为也逐渐变得有迹可循。这篇论文发表在创刊于1889年的《太平洋天文学会汇刊》（Publications of the Astronomical Society of the Pacific）中，让我们跟随这部古老的汇刊开启一段天文学之旅，了解太平洋天文学会的成立、宜居星球论文的发表、和汇刊中的老插图背后的故事。

一、太平洋天文学会与《太平洋天文学汇刊》的创刊

太平洋天文学会（Astronomical Society of the Pacific）成立于1889年2月7日，该学会隶属于美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science）。经过一百三十多年发展，目前太平洋天文学会已经成为全世界最大的天文学会之一，学会旗下有三种出版物，包括：针对天文学家的专业学术期刊《太平洋天文学会汇刊》，从 历史 天文学、考古天文学、前沿天文学等角度科普天文学知识的《水星》（Mercury），以及始于1988年、出版了五百余卷的《太平洋天文学会会议录》（Astronomical Society of the Pacific Conference Series）。除正式出版物外，学会还设立很多奖项促进天文学的发展，其中包括在天文学领域最负盛名的，颁发给终身致力于天文 探索 的并取得杰出贡献的天文学家的“布鲁斯奖(Bruce Medal)”；颁发给为提升公众对天文学的理解与认识做出突出贡献的“克隆普克-罗伯特奖(Klumpke-Roberts Award)”；“戈登·迈尔斯业余成就奖（The Gordon Myers Amateur Achievement Award）”；以及颁发给优秀天文学博士毕业论文的“罗伯特·J·特朗普勒奖(Robert J. Trumpler Award)”。

太平洋天文学会的首卷发刊词由利克天文台创始人、太平洋天文学会的发起人爱德华·霍尔顿（Edward Singleton Holoden）撰写，在他的讲述中，太平洋天文学会的成立缘于1889年1月1日一次非常成功的日食观察集会。在集会上，学者们明确了学会的宗旨、章程、会员的职责等内容。

二、黄授书与宜居理论

黄授书（1915-1977），华裔理论天体物理学家，在天文学多个领域取得了出色的成就，为纪念他在天文学上的杰出贡献，紫金山天文台将该台发现的一颗小行星命名为“黄授书”星。早在1959年，黄授书在论文中便提出了“宜居带（habitable zone）”理论，是当时最早提出这一理论的科学家之一。从他的论文《宇宙中生命的问题和恒星形成的模式》中我们得知，离恒星太近的地方，烈焰熊熊，万物枯涸；离恒星太远的地方，冰天雪地，万物凝冻。只有正好处于离母星不远又不近区域里的行星，才能留存液态水，孕育已知的生命形式。一切天然适合人类生存的行星，也只能在宜居带内找到。这一理论的提出为人们对宜居星球的搜寻提供了方向，也为促进天文学领域的发展起到了重要作用。

三、《太平洋天文学汇刊》中的插图

在这部期刊中收集有大量天文学领域的精美插图，其中包括利克天文台冬天的景色、1889年的木星、月球表面、月全食彩色手绘、36英寸利克天文台望远镜等内容的图片，这些图片直观反映了当时天文学蓬勃的发展状态。本文选取海拔1283米白雪皑皑的汉密尔顿山顶的利克天文台（Lick Observation）图片供读者欣赏（图4）。利克天文台是世界首座建于山顶的永久天文台，在这里爱因斯坦的广义相对论、宇宙加速膨胀等重要理论发现获得证明与确认，如今利克天文台主要被用于搜索超新星和其它星系中的行星。

《太平洋天文学会汇刊》作为目前天文学领域重要期刊之一，发表了很多重要发现，文献情报中心馆藏1889年首卷至今的纸本文献，读者可通过中科知汇预约到馆阅览。

参考文献：

[1] Publications of the Astronomical Society of the Pacific[J]. 1889--1896,Vol1—7.

[2] Astronomical Society of the Pacific[EB/OL]. [2022-02-08]..

撰稿人：刘杨

初审：徐小牧

审核发布：翁彦琴

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