系外行星

梁炳鑫

開普勒空間望遠鏡發(fā)射升空之后沒幾個月，系統(tǒng)還處在適應摸索的階段，一個偶然的機會，發(fā)現(xiàn)的閘門突然打開：望遠鏡第一次觀測到了太陽系外與地球大小類似的一顆巖質行星。

這顆系外行星被稱為開普勒10b，具有高溫、質量大的特點，它的出現(xiàn)揭開了系外行星發(fā)現(xiàn)的狂潮。在之后短短20年內，我們從屈指可數(shù)的幾顆確證的系外行星，到今天已經發(fā)現(xiàn)了3300多顆。此外，還有數(shù)千顆由開普勒空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)的候選行星等待確認。

“試運行時我們就檢測到了可能來自540光年外圍繞另一顆恒星旋轉的小型行星的信號?！遍_普勒團隊的天體物理學家娜塔莉·巴塔拉在談到這個于2011年對外公布的發(fā)現(xiàn)時說，“那時候我們第一次意識到，我們將會發(fā)現(xiàn)很多這類星球，會發(fā)現(xiàn)很多和地球差不多大小的行星?！?/p>

自1995年確認發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞類日恒星公轉的系外行星以來，迄今科學家只調查了為數(shù)不多的銀河系切面。即便如此，他們還是找到了許多系外行星聚集地帶。最新的統(tǒng)計學研究估計，在銀河系中，平均每顆恒星都擁有至少一顆行星。這意味著僅僅在銀河系內部，行星的數(shù)量就達到了萬億級，其中許多都和地球差不多大小。

“現(xiàn)在我們確切知道小型行星是十分常見的，這在歷史上是首次?！毕低庑行茄芯肯闰?、麻省理工學院的薩拉·西格教授說，“這意義非凡。如果沒有開普勒空間望遠鏡，我們就無法獲取這一信息，而只能隨口說行星無處不在?！?h3>熾熱的木星和搖擺的太陽

1995年發(fā)現(xiàn)的系外行星是一顆地表溫度很高的大型氣態(tài)行星，大小估計是木星的1/2。它緊緊圍繞著自己的恒星運轉，軌道周期只有4天，導致的恒星搖擺明顯到可以被地球上的望遠鏡捕捉到——只要天文學家將望遠鏡對準它就可以。

發(fā)現(xiàn)飛馬座51b揭開了行星探測經典時期的序幕。早期使用恒星搖擺追蹤技術，研究人員接連發(fā)現(xiàn)系外行星，其中許多行星都與木星類似，同時具有地面高溫和軌道周期短的特點。

搖擺法測定的是恒星的徑向速度。恒星光線的波長隨著旋轉時離地球距離的細微變化不斷受到交替的壓縮和拉伸，這是由圍繞它旋轉的行星產生的引力拖拽造成的。

1995年，歐洲團隊的米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澗褪怯眠@種方法發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b，引發(fā)了一場尋找系外行星的競賽。

在隨后的時間里，發(fā)現(xiàn)的系外行星從幾十顆逐漸增長到幾百顆。

確證了飛馬座51b的存在后，保羅·巴特勒和杰夫·馬爾西帶領的舊金山州立大學科研團隊重新查閱了他們收集的徑向速度觀測數(shù)據(jù)。整個天文學界都沒有料到，恒星周圍的近距離軌道上會存在大型行星。1996年，他們宣布發(fā)現(xiàn)兩顆可信度較高的系外行星：處女座70和大熊座47。處女座70的軌道周期是116天，大熊座47的軌道周期是2.5年，而且它們所處的遙遠的恒星系統(tǒng)與太陽系十分相似。這些發(fā)現(xiàn)打消了其他天文學家的疑慮。

巴特勒和馬爾西的團隊在接下來的10年中發(fā)現(xiàn)了首批公布的100顆系外行星中的至少70顆，成為明星團隊。許多基于地面觀測的科研項目也加入了這場搜尋，將系外行星的數(shù)量增加到幾百顆。

然后，新型望遠鏡和新的行星探測方法搶走了他們的風頭。

凝望太空

2009年，美國航空航天局的開普勒空間望遠鏡發(fā)射升空，開啟了行星探測的新時代。開普勒空間望遠鏡進入了由地球拖拽的繞太陽運行軌道，然后將鏡頭對準了一小片天空，一觀測就是4年。

這一小片天空包含了大約15萬顆恒星。開普勒空間望遠鏡捕捉的是恒星亮度的微弱變化，這種亮度變化是由行星從恒星前方通過時造成的。目前開普勒空間望遠鏡的觀測結果是：有3300多顆系外行星得到確認，其中2000多顆行星已經從觀測數(shù)據(jù)中過濾出來，另外還有2400多顆候選行星等待確認。

開普勒空間望遠鏡項目在20世紀90年代經歷了質疑。由美國航空航天局艾姆斯研究中心的威廉·博魯茨基提議的設計四次遭到美國航空航天局的否決，直到2001年，博魯茨基的設計終于獲得了批準。

他的設計理念被證明是正確的。開普勒空間望遠鏡在最初4年中獲得的觀測數(shù)據(jù)仍然在不斷揭示新行星。但在2013年，它的初次任務不得不因為反力輪失效而終止。

為了解決這一問題，開普勒科學團隊想到了一種聰明的方法：利用陽光產生的壓力來穩(wěn)定望遠鏡的一條軸。同時，這臺望遠鏡被改名為“K2”，繼續(xù)行星探測之旅，雖然這一次的觀測時間與4年相比縮短了很多。

其他地面和太空的觀測設備也在繼續(xù)著對系外行星的搜索。歐洲的CoRoT衛(wèi)星先于開普勒空間望遠鏡投入運行，2006年至2012年，它同樣利用凌星法找到了許多系外行星。

哈勃空間望遠鏡不僅發(fā)現(xiàn)了許多凌星的系外行星，還對其中一部分行星的大氣層進行了分析。行星發(fā)生凌星現(xiàn)象時，恒星光線會有一部分被行星大氣層折射。大氣層中的氣體和化學物質會吸收不同波長的光線。通過尋找恒星光譜中缺失的部分，科學家就可以得知系外行星大氣層的化學組成。

另一臺觀測設備，美國航空航天局的斯皮策空間望遠鏡，在紅外光區(qū)觀測系外行星的凌星現(xiàn)象，并借此幫助分析測定系外行星大氣層中的許多難解之謎。

斯皮策空間望遠鏡通常和地面望遠鏡協(xié)同工作，其中就包括智利拉斯坎帕納斯天文臺的OGLE華沙望遠鏡。2015年，斯皮策空間望遠鏡與意大利位于加納利群島的3.6米口徑伽利略望遠鏡合作，找到了已知最近的巖質行星HD219134b，距離地球只有21光年。然而遺憾的是，這顆行星的

軌道距離它的恒星太近，不適合生命生存。

迄今觀測到的數(shù)千顆系外行星里，很多是使用例如凌星法和測量恒星搖擺的方法來發(fā)現(xiàn)的。但隨著科學技術的不斷發(fā)展，我們已經開始進入行星探測的全新時代：直接顯像。

嗨，系外行星，說“茄子”！

天文學家認為，系外行星探測的未來完全是直接顯像的天下。計劃于2018年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，以及仍在設計建造中的大視場紅外巡天望遠鏡，會極大拓展我們捕捉遙遠行星實際圖像的能力，圖像分辨率也會提高。

這些新技術會提升太空觀測能力，讓我們能夠捕捉到體積更小的系外行星的圖像。例如，大視場紅外巡天項目會使用內置的日冕儀選擇性地遮擋和處理入射的恒星光線，找出被淹沒在恒星耀眼光線中的行星。

與此類似，空間望遠鏡可以使用叫作“遮星板”的外部設備，該設備正在由噴氣推進實驗室研發(fā)。遮星板在太空中展開后是向日葵形，具有棒球場內場大小?？臻g望遠鏡從上萬千米之外指向遮星板，就可以過濾掉恒星發(fā)出的多余光線，捕捉圍繞該目標恒星公轉的行星圖像。

在接下來的幾十年中，隨著空間望遠鏡體積變大和功能增強，或許我們最終能夠捕捉到另一顆地球的標志性圖像——一個由大陸、云層和海洋構成的遙遠世界。

但是，到底什么才是地球的本質性特征？我們到底應該望向哪里，才能找到一個與它相同的宜居星球呢？