搜尋系外行星的新一代地基天文臺(tái)

楊峰

自1995年瑞士天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞類太陽(yáng)恒星公轉(zhuǎn)的行星飛馬座51b以來(lái)，對(duì)太陽(yáng)系外行星的搜尋和研究就逐漸發(fā)展成為當(dāng)代天文學(xué)最前沿、最熱門、最令公眾感興趣的領(lǐng)域。從事這方面觀測(cè)的天文學(xué)家，被人們形象化地稱為“行星獵人”。在行星獵人的不懈努力下，到2018年3月末，已經(jīng)有3708顆系外行星被確認(rèn)。得到這些成果所用的觀測(cè)設(shè)備中，主要用于尋找系外行星的兩個(gè)航天器——?dú)W洲的天文衛(wèi)星“科羅”（corot）和美國(guó)的空間望遠(yuǎn)鏡“開(kāi)普勒”（Kepler）——成果特別多。尤其是后者，其發(fā)現(xiàn)經(jīng)常登上各類媒體。不過(guò)，地面望遠(yuǎn)鏡在這方面也功不可沒(méi)，仍然發(fā)揮著獨(dú)特而重要的作用。這里我想介紹的，就是最近出現(xiàn)的專門用來(lái)搜尋系外行星的兩個(gè)地基天文臺(tái)——ExTra和SPECULOOS。

在“科羅”衛(wèi)星于2006年年末升空之前，我們發(fā)現(xiàn)的系外行星都是地面觀測(cè)的成果。最早期的行星獵人沒(méi)有自己的專用天文臺(tái)，只能使用綜合性天文臺(tái)的通用望遠(yuǎn)鏡。但這類望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)日程往往被各類研究課題排得滿滿的，可供行星獵人使用的時(shí)間極其有限。于是，他們開(kāi)始建造自己的觀測(cè)裝備，就此誕生了第一代專門用于搜尋系外行星的地基天文臺(tái)。這些天文臺(tái)的共同特點(diǎn)是：將多臺(tái)完全相同的小口徑望遠(yuǎn)鏡聚集在一起，置于同一個(gè)圓頂之內(nèi)，組成一個(gè)小規(guī)模的陣列。望遠(yuǎn)鏡的主鏡口徑都不到0.5米，并不比某些業(yè)余天文愛(ài)好者的望遠(yuǎn)鏡更大。其中最具代表性的是美國(guó)的M-Earth和歐洲的NGTS。前者包括位于美國(guó)本土的M-Earth北臺(tái)和位于智利的M-Earth南臺(tái)，兩個(gè)天文臺(tái)都由8臺(tái)口徑0.4米的望遠(yuǎn)鏡組陣；后者是同樣建在智利的歐洲南方天文臺(tái)的一部分，由12臺(tái)口徑0.2米的望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成。

2016年至2017年，環(huán)繞紅矮星Trappist-1運(yùn)行的7顆類地行星相繼被發(fā)現(xiàn)，而且其中有3顆位于宜居帶。美國(guó)航空航天局為此召開(kāi)了新聞發(fā)布會(huì)，并被全球媒體廣泛報(bào)道，成為轟動(dòng)一時(shí)的重大科學(xué)新聞。取得該成果的領(lǐng)軍人物、比利時(shí)列日大學(xué)的米歇爾·吉隆教授，還被美國(guó)《時(shí)代》雜志評(píng)為2017年度全球最有影響力的100人之一。這一發(fā)現(xiàn)不僅激發(fā)了人類探索系外行星的更高熱情，也給行星獵人帶來(lái)了兩點(diǎn)啟示：第一，在占銀河系恒星總數(shù)70%的紅矮星周圍，甚至在數(shù)目同樣龐大的褐矮星周圍，存在著大量的類地行星，其中位于恒星宜居帶、因而有可能孕育生命的行星總數(shù)也會(huì)很多；第二，在空間天文學(xué)蓬勃發(fā)展和地基望遠(yuǎn)鏡越造越大的時(shí)代，低成本的小型地面望遠(yuǎn)鏡在系外行星探測(cè)中的作用依然無(wú)可替代，首先發(fā)現(xiàn)紅矮星Trappist-1有行星的就是一臺(tái)口徑0.6米的望遠(yuǎn)鏡。正是在這樣的背景下，搜尋系外行星的第二代地基天文臺(tái)ExTra和SPECULOOS應(yīng)運(yùn)而生。和前面提到的NGTS一樣，ExTra和SPECULOOS都成為歐洲南方天文臺(tái)的組成部分，都位于智利北部的阿塔卡馬沙漠地區(qū)。

ExTra是“凌星系外行星及其大氣層”（Exoplanetsin Transits and theirAtmospheres）的簡(jiǎn)稱，是法國(guó)的科研項(xiàng)目，由歐洲科學(xué)研究委員會(huì)和法國(guó)國(guó)家科研中心提供經(jīng)費(fèi)。ExTra天文臺(tái)由3臺(tái)口徑0.6米的望遠(yuǎn)鏡組成。和第一代搜尋系外行星的天文臺(tái)相比，不僅望遠(yuǎn)鏡更大，而且每臺(tái)望遠(yuǎn)鏡都有各自的圓頂，并由天文學(xué)家在法國(guó)格勒諾布爾進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，形成了一個(gè)既附屬于歐洲南方天文臺(tái)，又相對(duì)獨(dú)立和完整的、很有特色的專門用途科研設(shè)施。ExTra天文臺(tái)利用凌星方法，也就是監(jiān)測(cè)由于行星在恒星前面通過(guò)而導(dǎo)致的恒星亮度下降來(lái)尋找銀河系中的類地行星。由于紅矮星體積小、光度低，圍繞它們運(yùn)行的體積類似地球的行星在凌星過(guò)程中導(dǎo)致的恒星變暗幅度更大，因而也更容易被探測(cè)到，ExTra就專門以距離太陽(yáng)系較近的紅矮星為觀測(cè)目標(biāo)。又因?yàn)榧t矮星在紅外波段比在可見(jiàn)光波段的光度高出很多，ExTra是在紅外波段進(jìn)行觀測(cè)，從而提高精度和效率。ExTra的具體工作方式也比較獨(dú)特，是在常規(guī)的測(cè)光觀測(cè)中融入光譜分析。3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)目標(biāo)恒星以及另外4顆用來(lái)對(duì)比的恒星進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)這種對(duì)比來(lái)探測(cè)目標(biāo)恒星亮度的微弱變化，再經(jīng)由光纖把望遠(yuǎn)鏡收集的星光引入一臺(tái)近紅外多目標(biāo)光譜儀。測(cè)光觀測(cè)與分光觀測(cè)的這種結(jié)合，有利于消除地球大氣層擾動(dòng)給觀測(cè)造成的影響和儀器本身引起的誤差。除了找到紅矮星周圍的類地行星，ExTra還要研究它們的結(jié)構(gòu)和組成成分等基本特征，評(píng)估它們與地球的相似程度，并回答關(guān)于系外行星的一些基礎(chǔ)性問(wèn)題，比如在銀河系中行星存在的普遍程度有多大、類似Trappist-1這樣的多行星系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)及行星是在怎樣的環(huán)境中形成，等等。ExTra已于2018年1月成功地進(jìn)行了初光觀測(cè)，首席科學(xué)家夏瓦爾·班菲爾斯?jié)M懷期待地說(shuō)：“在歐洲南方天文臺(tái)的極大望遠(yuǎn)鏡E-ELT之類的下一代望遠(yuǎn)鏡建成之后，我們就能研究ExTra發(fā)現(xiàn)的行星的大氣層，以確定那里有沒(méi)有可能存在生命。對(duì)系外行星的研究正在把科幻小說(shuō)的內(nèi)容變成現(xiàn)實(shí)?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/05/23/qkimagesfdtsfdts201803fdts20180308-2-l.jpg"/>

ExTra的兄弟項(xiàng)目，SPECULOOS的名字有點(diǎn)拗口，是“搜尋掩食超冷恒星的可居住行星”（The Sea rch forhabitable Planets ECIipsingULtra-cool Stars）的縮寫。它是一個(gè)由上文提到的吉隆教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際項(xiàng)目，成員來(lái)自比利時(shí)的列日大學(xué)、英國(guó)的劍橋大學(xué)以及沙特阿拉伯的阿卜杜阿齊茲國(guó)王大學(xué)。其天文臺(tái)仍在建設(shè)中，但已接近完工。SPECULOOS包含4臺(tái)口徑1米的自動(dòng)化望遠(yuǎn)鏡，分別以木星的四大衛(wèi)星來(lái)命名，也都配有各自的圓頂，望遠(yuǎn)鏡口徑以及整體規(guī)模都大于ExTra。

建成后的SPECULOOS天文臺(tái)將專門觀測(cè)超冷矮星，尋找圍繞它們運(yùn)行的類地行星，尤其是宜居行星。超冷矮星包括兩類天體：一類是光譜型為M7、M8、M9的低溫紅矮星；另一類是褐矮星，也就是由于質(zhì)量不足而不能像正常恒星那樣通過(guò)核反應(yīng)發(fā)光發(fā)熱的亞恒星天體，也被稱為“失敗的恒星”。由于超冷矮星的輻射主要在近紅外波段，SPECULOOS配備了高靈敏度的近紅外相機(jī)，預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)現(xiàn)幾十個(gè)類似Trappist-1的行星系統(tǒng)，并試圖找到最適合由未來(lái)的巨型望遠(yuǎn)鏡對(duì)其大氣特征進(jìn)行后續(xù)觀測(cè)以期尋找生命跡象的類地行星。

相比探測(cè)系外行星的其他方法，凌星法能揭示出行星的更多信息，包括行星半徑和軌道參數(shù)，甚至行星質(zhì)量和大氣狀況。SPECULOOS天文臺(tái)也將利用凌星法對(duì)距離太陽(yáng)系最近的500顆超冷矮星進(jìn)行觀測(cè)，希望在這些最冷、最小也最暗的恒星以及褐矮星周圍，找到較多位于宜居帶內(nèi)并且體積和質(zhì)量都與地球相仿的行星，有力地推動(dòng)行星科學(xué)的發(fā)展和外星生命的探索。

相信ExTra和SPECULOOS會(huì)不斷給人類帶來(lái)驚喜。