太陽系外行星的研究現(xiàn)狀*

竇江培 朱永田 任德清

①副研究員，②研究員，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042；③副教授，加州州立大學(xué)北嶺分校天文物理系，California 91330-8268

太陽系外行星的研究現(xiàn)狀*

竇江培①朱永田②任德清③

①副研究員，②研究員，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所，中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210042；③副教授，加州州立大學(xué)北嶺分校天文物理系，California 91330-8268

太陽系外行星；系外生命；探測(cè)技術(shù)；地基望遠(yuǎn)鏡；空間觀測(cè)計(jì)劃

太陽系外行星探測(cè)是當(dāng)今國際天文學(xué)研究的熱點(diǎn)，其探測(cè)方法分為間接探測(cè)和直接成像。目前，已發(fā)現(xiàn)的上千顆系外行星主要是通過視向速度法和凌星法等間接方式探測(cè)到的，而直接成像技術(shù)將有望獲取行星溫度、大氣等更全面的物理信息。其中，通過對(duì)類太陽恒星宜居帶內(nèi)的類地行星進(jìn)行成像觀測(cè)和大氣光譜分析，將有望捕獲太陽系外生命信號(hào)，進(jìn)而解答“人類在宇宙中是否孤立？”這一基本科學(xué)問題，從而突破人類對(duì)生命的現(xiàn)有認(rèn)識(shí)。因此，該領(lǐng)域的研究具有較高的公眾關(guān)注度。

1 系外行星探測(cè)概況

太陽系外行星指圍繞除太陽外其他恒星旋轉(zhuǎn)的行星系統(tǒng)。1995年，Mayor和Queloz采用視向速度法(簡稱RV，也被稱為多普勒效應(yīng)法)首次探測(cè)到圍繞主序星飛馬座51旋轉(zhuǎn)的行星，被認(rèn)為是里程碑式的發(fā)現(xiàn)[1]。該發(fā)現(xiàn)首次回答了“太陽系之外的類太陽恒星周圍是否存在行星”這一基本科學(xué)問題。然而，該行星與太陽系內(nèi)行星有著很大的差別，其圍繞主星旋轉(zhuǎn)只需要4天(太陽系內(nèi)最近的水星公轉(zhuǎn)周期接近88天)，反映了太陽系外行星系統(tǒng)的多樣性。隨著太陽系外行星探測(cè)技術(shù)手段突飛猛進(jìn)的發(fā)展，行星的科學(xué)研究也隨之不斷深入，相應(yīng)的觀測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)有行星形成和演化理論提出了新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)exoplanet.eu官網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，已發(fā)現(xiàn)確認(rèn)有 1 770多顆太陽系外行星，3 800多顆系外行星候選體仍需進(jìn)一步認(rèn)證。其中，發(fā)現(xiàn)的行星中絕大多數(shù)為氣態(tài)巨行星(400多顆)和熱木星(990多顆)，部分為超級(jí)“地球”(1～10個(gè)地球質(zhì)量，190多顆)，若干地球質(zhì)量或地球大小的行星(70多顆)，尚未確認(rèn)存在生命的類地行星系統(tǒng)。圖1給出了已探測(cè)到系外行星的軌道半長軸與質(zhì)量分布(采用了exoplanet.eu官網(wǎng)3月份數(shù)據(jù))。圖中，絕大多數(shù)行星分布在綠色直線以上，不同顏色直線代表了各種技術(shù)手段目前的探測(cè)局限：凌星法觀測(cè)確認(rèn)的行星多數(shù)為近軌道(0.006～2 AU之間)，視向速度法(難以探測(cè)小于0.3木星質(zhì)量且周期超過5.5年的行星)，直接成像法易于探測(cè)長軌道行星(3～幾百AU)。

對(duì)太陽系外行星的科學(xué)研究與探測(cè)技術(shù)手段的發(fā)展密不可分。其中，以HARPS地基科學(xué)儀器為代表的RV方法現(xiàn)有視向速度探測(cè)精度已經(jīng)達(dá)到0.97 m/s，將可探測(cè)到的行星發(fā)展到幾個(gè)地球質(zhì)量[2]。中國開展太陽系外行星RV搜尋的主要有國家天文臺(tái)趙剛研究員所在團(tuán)隊(duì)，基于由南京天文光學(xué)技術(shù)研究所(NIAOT)研發(fā)的高分辨率光譜儀，RV探測(cè)精度達(dá)到5～6 m/s，用于巨行星的搜尋。以Kepler空間觀測(cè)計(jì)劃為代表的凌星法已經(jīng)能夠發(fā)現(xiàn)地球大小和巖質(zhì)行星[3-4]。而且，凌星法能夠在可見光和紅外波段對(duì)行星大氣進(jìn)行簡易的光譜分析[5-6]。微引力透鏡方法能夠探測(cè)到小質(zhì)量的行星(>0.1個(gè)地球質(zhì)量)，軌道可以延伸至幾個(gè)天文單位(AU)[7]。該方法觀測(cè)目標(biāo)距離地球相當(dāng)遙遠(yuǎn)，尚難以與其他技術(shù)手段進(jìn)行互補(bǔ)觀測(cè)或者進(jìn)行再認(rèn)證觀測(cè)。天體測(cè)量技術(shù)有望探測(cè)20 pc(秒差距，1 pc≈2.06×105AU≈3.26光年)以內(nèi)的恒星宜居帶內(nèi)地球質(zhì)量大小的行星[8]。美國國家航空航天局(NASA)提出的太空干涉測(cè)量(SIM)以及歐洲航天局的近地小行星追蹤(Near Earth Astrometric Telescope，NEAT)微角秒精度天體測(cè)量計(jì)劃由于受到經(jīng)費(fèi)限制或其他原因，目前已經(jīng)被取消。歐洲航天局的蓋亞(2013年12月發(fā)射)空間天體測(cè)量計(jì)劃主要開展空間巡天探測(cè)，定位精度10～20 μas，系外行星方面的科學(xué)目標(biāo)主要針對(duì)類木行星。近期，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究團(tuán)隊(duì)提出了STEP空間計(jì)劃，其目標(biāo)探測(cè)精度將能夠達(dá)到0.5 μas，該計(jì)劃將搜尋近距(20 pc以內(nèi))類太陽恒星(F、G、K型)宜居帶內(nèi)的類地行星，并期望精確獲取該類行星系統(tǒng)的三維軌道信息和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

以上的間接探測(cè)手段都是通過探測(cè)恒星信號(hào)的變化來推斷行星存在的(例如：RV方法是觀測(cè)行星對(duì)主星牽引產(chǎn)生的光譜周期移動(dòng)；凌星法是觀測(cè)行星經(jīng)過主星對(duì)其遮擋產(chǎn)生的光變信號(hào)；天體測(cè)量方法是通過觀測(cè)行星對(duì)恒星牽引產(chǎn)生的位置周期變化)，尚難以精確測(cè)量行星大氣的組成。直接成像技術(shù)將有望捕獲來自行星的光子信號(hào)，通過光譜分析可以獲得行星大氣環(huán)境、組成、有效溫度及表面重力等重要物理信息，進(jìn)而確認(rèn)其上面是否支持或已經(jīng)存在生命。目前，通過直接成像方法確認(rèn)的40多顆系外行星，主要基于8~10 m等地基望遠(yuǎn)鏡開展的，其觀測(cè)成像對(duì)比度達(dá)到10-5，近期對(duì)HR8799多行星系統(tǒng)的觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)突顯該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[9]。其中一個(gè)重要原因：最早發(fā)現(xiàn)具有行星星子、行星胎盤的是A型恒星，然而首次發(fā)現(xiàn)A型恒星周圍存在行星的北落師門[10]和 HR8799系統(tǒng)，是通過直接成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 已探測(cè)到的系外行星軌道半長軸-質(zhì)量分布圖

2 類地行星的定義及系外生命探測(cè)方法

2.1 構(gòu)成類地行星的幾個(gè)重要參數(shù)

(1) 質(zhì)量：1~10個(gè)地球質(zhì)量

一方面，質(zhì)量過小將難以維持大氣環(huán)境。例如，太陽系內(nèi)的火星雖然也位于宜居帶(HZ)內(nèi)，但其質(zhì)量接近0.1個(gè)地球，使其內(nèi)部熱量耗散極快，大氣逐步逃逸[11]。另一方面，質(zhì)量不能過大。如大于10個(gè)地球質(zhì)量的行星，將聚集星云氣體而最終形成氣態(tài)或冰態(tài)巨行星。

圖2 存在生命的行星其大氣反射光譜擬合曲線

(2) 軌道：位于宜居帶，對(duì)類太陽恒星而言，在0.8~1.8 AU之間(不能太熱，也不能太冷)，從而能夠維持液態(tài)水的存在。

(3) 巖態(tài)：與地球密度相當(dāng)，生命可以著陸在其上生活并繁衍。

2.2 系外生命探測(cè)方法

系外生命探測(cè)方法包括被動(dòng)式接收和主動(dòng)式搜尋兩類。

被動(dòng)式接收：如國際搜尋外星文明(Search for ExtraTerrestial Intelligence，SETI)計(jì)劃，將通過全球射電望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò)捕獲地外高等生命發(fā)向地球的射電信號(hào)。至今SETI 計(jì)劃尚未接收到來自地外生命發(fā)出的信號(hào)。

主動(dòng)式搜尋：基于人類對(duì)現(xiàn)有生命存在形式的認(rèn)識(shí)展開，即最終通過尋找類太陽恒星周圍宜居帶內(nèi)的類地行星，進(jìn)而開展大氣光譜分析，來確認(rèn)地外生命信號(hào)的存在。

上述間接探測(cè)手段(詳見第1部分)有望在不久的將來搜尋到位于類太陽恒星HZ內(nèi)的地球質(zhì)量大小的巖態(tài)行星。例如：凌星法有望探測(cè)到地球大小的行星；高精度天體測(cè)量有望確認(rèn)地球質(zhì)量的行星，并精確測(cè)量行星的質(zhì)量和軌道等信息。

對(duì)類地行星進(jìn)行直接成像觀測(cè)和光譜分析將能夠研究其大氣化學(xué)元素的精確組成，期望最終確認(rèn)生命信號(hào)。探測(cè)太陽系內(nèi)的行星可以通過發(fā)射著陸器(美國NASA先后發(fā)射的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)火星車)或者近距觀測(cè)衛(wèi)星(先后發(fā)射Voyager flybys等衛(wèi)星近距觀測(cè)土星)對(duì)其進(jìn)行高分辨率成像觀測(cè)和研究。探測(cè)太陽系外行星上的生命將受到人類現(xiàn)有技術(shù)的限制，即只能夠通過遙測(cè)行星生命對(duì)其大氣環(huán)境及表面產(chǎn)生的影響來確認(rèn)。如果在系外行星大氣中同時(shí)探測(cè)到較大量的O2和微量甲烷或N2O，則被認(rèn)為是生命存在的最有力的證據(jù)[12]。

對(duì)類地行星進(jìn)行譜征分析的挑戰(zhàn)性在于直接成像，即需要首先直接捕獲來自行星的光子信號(hào)。由于太陽系外類地行星與主星輻射對(duì)比度相差懸殊，在紅外(自身輻射占主導(dǎo))和可見光波段(主星經(jīng)過行星反射光信號(hào))分別為10-7和10-10，且距離主星極近，致使來自行星的微弱光子信號(hào)被淹沒在極強(qiáng)的主星背景光中。對(duì)太陽系外行星進(jìn)行直接成像需要解決兩大技術(shù)難題：①望遠(yuǎn)鏡孔徑引入的衍射光子噪聲；②光學(xué)系統(tǒng)波前畸變引入的散斑噪聲[13]。高對(duì)比度成像星冕儀能夠有效壓制或削弱望遠(yuǎn)鏡孔徑產(chǎn)生的衍射光，成像對(duì)比度理論上可以高達(dá)10-10，使得直接探測(cè)系外行星成為了可能[14-15]。然而，光學(xué)系統(tǒng)不理想表面將在系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)圖像上產(chǎn)生散斑噪聲，需要對(duì)系統(tǒng)的波相差進(jìn)行精確控制，其RMS需要控制在1/10000波長[16]。國際在研的系統(tǒng)多數(shù)采用兩步來完成，即第一步精確測(cè)量或重構(gòu)系統(tǒng)的靜態(tài)波相差，第二步再通過可變形鏡(DM)產(chǎn)生反相相位對(duì)其進(jìn)行校正。NIAOT系外行星探測(cè)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)率先提出了一種基于焦面PSF評(píng)價(jià)機(jī)制的多次迭代優(yōu)化控制技術(shù)，能夠單步實(shí)現(xiàn)靜態(tài)波相差的精確校正，而無須再探測(cè)系統(tǒng)的波前畸變信息，目前該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)校正精度在可見光波段RMS達(dá)到3×10-4波長[17-19]。

在直接探測(cè)到來自類地行星的光子之后，可以通過將其引入中低分辨率的光譜儀(分辨率R為50~100)來對(duì)其大氣進(jìn)行光譜分析。圖2給出了基于Earthshine的觀測(cè)數(shù)據(jù)(太陽光經(jīng)由地球表面大氣反射照向月球之后的再次反射)，擬合出的存在生命行星在可見光及近紅外波段的反射光譜曲線。研究表明，支持生命最重要的化學(xué)元素氧氣的光譜窗口在0.68和0.76 μm，水的特征吸收光譜分別在0.72、0.82和0.94 μm，O3則覆蓋了可見光較寬的波段(0.5~0.7 μm)，詳見Woolf 2002和Turnbull 2006文章[20-21]。

要確認(rèn)太陽系外類地行星大氣中支持生命生存的氣體O2、水及其附屬產(chǎn)物O3，需要發(fā)射光學(xué)/近紅外成像望遠(yuǎn)鏡，配備高對(duì)比度星冕儀，并對(duì)其波相差進(jìn)行精確控制，目標(biāo)成像對(duì)比度達(dá)到10-10。生命活動(dòng)產(chǎn)生的微量氣體如CH4(7.7 μm)或者N2O等特征光譜在中紅外波段[22]。因此，需要空間零位干涉望遠(yuǎn)鏡(如NASA原來的Terrestrial Planet Finder簡稱TPF計(jì)劃，其中TPF-I干涉成像計(jì)劃)來對(duì)類地行星進(jìn)行熱輻射光譜分析。

3 系外行星探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

目前，RV技術(shù)水平適宜探測(cè)近軌行星，需要技術(shù)突破以探測(cè)HZ內(nèi)地球質(zhì)量的行星，如引入激光頻率梳定標(biāo)技術(shù)有望將視向速度探測(cè)精度提高至cm/s[23]。Kepler空間望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射取得了巨大的成功，在運(yùn)行3年多的時(shí)間里先后確認(rèn)了960多顆太陽系外行星和3 000多顆行星候選體，并將探測(cè)系外行星推到了前所未有的高度(即探測(cè)到地球半徑或質(zhì)量的行星系統(tǒng))[3-4]。由美國MIT主導(dǎo)的Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)空間計(jì)劃將觀測(cè)更亮的G、K型恒星(比Kepler目標(biāo)亮30～100倍)，覆蓋天區(qū)為Kepler空間計(jì)劃的400倍，預(yù)期發(fā)現(xiàn)3 800顆太陽系外行星，其中包含500顆1~2倍地球半徑的行星)。

現(xiàn)有大中口徑和未來極大口徑地基望遠(yuǎn)鏡都在開展和計(jì)劃進(jìn)行太陽系外行星天文成像觀測(cè)研究，其發(fā)展趨勢(shì)是研發(fā) “超級(jí)”自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(Ex-AO)，配備高對(duì)比度星冕儀，最終目標(biāo)成像對(duì)比度為10-7~10-8，將有望探測(cè)到上百顆年輕的木星質(zhì)量級(jí)別的行星，并進(jìn)一步獲取上述行星的紅外波段光譜[19,24-28]。基于未來空間望遠(yuǎn)鏡研發(fā)高對(duì)比度成像星冕儀，目標(biāo)成像對(duì)比度達(dá)到10-10，用于在可見光至近紅外波段開展類地行星成像觀測(cè)，并通過光譜分析遙測(cè)其大氣環(huán)境。其發(fā)展趨勢(shì)是在近角距離(1～4 λ/D)內(nèi)獲取超高對(duì)比度[29]。美國NASA提出的TPF類地行星成像空間計(jì)劃，都由于經(jīng)費(fèi)原因處于無限期擱置狀態(tài)。近期，先后提出了多個(gè)戰(zhàn)略先導(dǎo)空間計(jì)劃，包括ACCESS(a coronagraph concepts for the direct imaging and spectroscopy of explanetary systems)和EXCEDE(exoplanetary circumstellar environments and disk explorer)，目標(biāo)是將發(fā)射小口徑(0.7～1.5 m)望遠(yuǎn)鏡開展類地行星、巖質(zhì)行星的直接成像觀測(cè)和譜征分析研究[30]。NIAOT系外行星探測(cè)研究團(tuán)隊(duì)在中科院空間先導(dǎo)專項(xiàng)預(yù)先研究項(xiàng)目的資助下，提出了一種兼?zhèn)涓邔?duì)比度、寬波段、大探測(cè)區(qū)域的星冕儀技術(shù)[31]，并初步開展了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究，目前實(shí)驗(yàn)成像對(duì)比度在PSF的1/4~1/2區(qū)域內(nèi)達(dá)到10-9。下一步將成像對(duì)比度提高10倍，為將來發(fā)射空間天文衛(wèi)星JEEEDIS(Jupiter/Earth-twin Exoplanets and Exo-zodiacal Dust Imager and Spectrometer)和ELSS(Exo-Life Search Satellite)開展系外生命信號(hào)搜尋做好技術(shù)準(zhǔn)備。

太陽系外行星搜尋已成為當(dāng)今天文學(xué)最活躍的研究課題之一。其潛在的研究成果有望解答“人類在宇宙中是否孤立？”這一基本科學(xué)問題?？梢哉f，我們很幸運(yùn)地站在回答這一問題的邊緣，目前諸多關(guān)鍵技術(shù)的突破，將有望在未來10～20年內(nèi)搜尋到位于宜居帶內(nèi)的地球質(zhì)量的巖質(zhì)行星，并有望在不久的將來直接獲得來自類地行星的光譜，精確分析其大氣組成，從而最終確認(rèn)系外生命信號(hào)的存在，這將徹底改變?nèi)祟悓?duì)生命的現(xiàn)有認(rèn)識(shí)，即地球?qū)⒉辉偈怯钪嬷猩嬖诘闹行?。要?shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，需要整個(gè)人類共同的努力。

(2014年2月25日收稿)

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[30] TRAUGER J, MOODY D, GORDON B, et al. Complex apodization Lyot coronagraphy for the direct imaging of exoplanet systems: design, fabrication, and laboratory demonstration [J]. SPIE Proceedings, 2012, 8442: 84424Q-1-13.

[31] LIU C C, DOU J P, REN D Q, et al. A high-contrast coronagraph for Earth-like direct imaging: design and test [J]. Research in Astronomy and Astrophysics, 2014 (submitted).

Current research status of exoplanets

DOU Jiang-pei①, ZHU Yong-tian②, REN De-qing③
①Associate Professor ②Professor, National Astronomical Observatories, Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology; Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China；③Associate Professor, Physics & Astronomy Department, California State University Northridge, 18111 Nordhoff Street, Northridge, California 91330-8268

Exoplanets search is one of the hottest topics in modern astronomy. The detection method includes indirect detection and direct imaging. Currently, over 1 000 exoplanets have been confirmed mainly by the indirect detection method such as radial velocity. While the direct imaging study of an exoplanet will allow to characterize its important physical parameters such as the atmosphere and temperature. Furthermore, to study the atmosphere of an Earth-like exoplanet in the habitable zone of a solar type star by imaging and further spectroscopy analysis will allow us to confirm the Exo-life signal, which will help to finally answer “Are we alone in the universe?”, which is one of the most fundamental scientific questions. The research of Earth-like exoplanets will allow us to make a breakthrough on our current knowledge of life, which has been keeping a high attention rate in public domain.

exoplanet, exo-life, detection technique, ground-based telescope, space detection mission

(編輯：溫 文)

*國家自然科學(xué)基金(11220101001、11373005、11328302)，國家天文臺(tái)和John Templeton Foundation基金，中科院空間科學(xué)預(yù)先研究項(xiàng)目(XDA04070600、XDA04075200)和南京天文光學(xué)技術(shù)研究所優(yōu)秀青年人才領(lǐng)域前沿項(xiàng)目

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.005