發(fā)現(xiàn)系外行星的七種方法

安利

4月18日，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“凌星系外行星巡天衛(wèi)星”（TESS，昵稱(chēng)“苔絲”）升空，開(kāi)始其系外行星搜索之旅。作為開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡的“接班人”，“苔絲”也是使用凌星法進(jìn)行系外行星勘測(cè)的。除此之外，天文學(xué)家還能用哪些方法來(lái)發(fā)現(xiàn)系外行星呢？

1.天體測(cè)量法

天體測(cè)量法是最早用于搜尋系外行星的方法，主要通過(guò)精確測(cè)量恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)確定受其引力拖曳的行星所在。天體測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算出行星質(zhì)量，而且對(duì)大軌道的行星尤為敏感。然而，此方法要求的精度非常高，需要數(shù)年以至數(shù)十年的觀測(cè)方能確認(rèn)結(jié)果。2010年10月發(fā)現(xiàn)的HD 176051b是迄今唯一一顆已經(jīng)確認(rèn)的借由天體測(cè)量方法發(fā)現(xiàn)的系外行星。不過(guò)，人們寄希望于2013年12月發(fā)射升空的歐洲空間局“蓋亞”空間天體測(cè)量衛(wèi)星項(xiàng)目。不久前，該項(xiàng)目公布了第二批科學(xué)數(shù)據(jù)?！吧w亞”已經(jīng)測(cè)定了超過(guò)10億顆恒星的亮度、光譜特征、三維位置和運(yùn)動(dòng)情況，并建立了銀河系迄今最準(zhǔn)確的三維星圖。研究人員估計(jì)，新的天體測(cè)量學(xué)有望幫助他們找到數(shù)萬(wàn)顆新的系外行星。

2.直接成像法

這種方法如同給系外行星拍攝個(gè)“證件照”，以獲得其光度、溫度、大氣、軌道等最直接、最豐富的信息。但該方法要求行星的自身尺寸要足夠巨大，與母恒星的距離還不能近到被其光芒所掩蓋，對(duì)“攝影師”的要求也很高。目前，掌握直接成像法的幾位著名“攝影師”有哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、夏威夷凱克天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡以及歐洲南方天文臺(tái)位于智利的望遠(yuǎn)鏡陣列。它們不僅攝影裝備先進(jìn)，還配備有功能強(qiáng)大的日冕儀，能在觀測(cè)中有效屏蔽掉母恒星的耀眼光芒，從而保證“主角”形象的清晰。鑒于直接成像法難度不小，所以迄今用這種方法發(fā)現(xiàn)的系外行星也只有40多顆。

3.徑向速度法

與直接成像法不同，大部分系外行星都是通過(guò)間接方法被發(fā)現(xiàn)的。徑向速度法就是一種頗有成效的間接方法，1995年，人類(lèi)首次在類(lèi)太陽(yáng)恒星周?chē)l(fā)現(xiàn)行星—飛馬座51b，用的就是這種方法。該方法所依據(jù)的原理是多普勒效應(yīng)，因此也被稱(chēng)為多普勒效應(yīng)法。行星在圍繞母恒星運(yùn)行時(shí)，也會(huì)給恒星一個(gè)牽引力，恒星所發(fā)出的光譜相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生紅移和藍(lán)移，從中可推導(dǎo)出恒星的徑向速度（向著地球或離開(kāi)地球的運(yùn)動(dòng)速度）?，F(xiàn)代的光譜儀器已經(jīng)可以檢測(cè)出低至1米/秒的速度變化，從而推測(cè)出行星的質(zhì)量、周期等信息。科學(xué)家利用歐洲南方天文臺(tái)位于智利的高精度徑向速度行星搜索器（HARPS）、夏威夷凱克天文臺(tái)的高分辨率階梯光柵光譜儀（HIRES）等先進(jìn)的天文設(shè)備，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)700顆系外行星。

4.凌星法

所謂凌星或凌日，是指當(dāng)系外行星從母恒星與地球之間經(jīng)過(guò)時(shí)，行星會(huì)遮擋住部分恒星發(fā)出的光線(xiàn)，造成我們觀察到的恒星亮度發(fā)生輕微減弱。通過(guò)對(duì)這種輕微光變的探測(cè)，就可以推知系外行星的存在。由于凌星現(xiàn)象比較罕見(jiàn)，為了盡可能多地發(fā)現(xiàn)系外行星，就必須對(duì)盡可能多的恒星進(jìn)行監(jiān)測(cè)。開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡自2009年3月升空以來(lái)，尋找系外行星收獲頗豐，截至目前人類(lèi)找到的近3800顆系外行星，有70%是它發(fā)現(xiàn)的，它被冠以“行星獵手”的美稱(chēng)?！疤z”雖然也是采用凌星法進(jìn)行系外行星勘測(cè)，但它在搜尋策略上有別于前輩。與開(kāi)普勒連續(xù)多年定點(diǎn)監(jiān)測(cè)一小塊天區(qū)不同，“苔絲”將開(kāi)啟“巡天”模式，即在兩年的時(shí)間內(nèi)，對(duì)全天幾乎90%的區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，著重瞄準(zhǔn)我們太陽(yáng)系周?chē)泥従觽儭?p>

5.重力微透鏡法

從地球上觀察，當(dāng)一個(gè)星體移動(dòng)到一顆背景恒星前面時(shí)，恒星發(fā)出的光在受到天體質(zhì)量所形成的重力作用之后，會(huì)像經(jīng)過(guò)透鏡一樣被折射，被放大，由此便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光變曲線(xiàn)。如果該恒星擁有行星，那么將會(huì)產(chǎn)生二級(jí)光變曲線(xiàn)。因而，一旦發(fā)現(xiàn)了二級(jí)光變曲線(xiàn)，就可以證明行星的存在。這種方法在觀察地球與銀河中心之間的恒星時(shí)最有可能獲得成效，因?yàn)殂y河中心可以提供大量的背景恒星。科學(xué)家還可以用這種方法去尋找所謂的“游俠行星”，即那些沒(méi)有歸依、自由流浪于宇宙深處的行星。

6.脈沖星計(jì)時(shí)法

這種方法特別適用于發(fā)現(xiàn)圍繞脈沖星運(yùn)動(dòng)的行星。脈沖星是由超新星爆炸殘余形成的密度極高的星體，在高速自轉(zhuǎn)的同時(shí)，會(huì)發(fā)射出強(qiáng)烈脈沖輻射。這種輻射由于脈沖星自轉(zhuǎn)穩(wěn)定而非常規(guī)律，使科學(xué)家可以憑借在脈沖輻射中觀察到的時(shí)間異常來(lái)發(fā)現(xiàn)行星的蹤跡。1992年，兩位波蘭射電天文學(xué)家使用這種方法發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞著脈沖星PSR 1257+12的兩顆行星。這是人類(lèi)在太陽(yáng)系之外第一次確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的行星。

7.狹義相對(duì)論法

這是一種利用愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論指導(dǎo)發(fā)現(xiàn)系外行星的新方法。恒星的亮度因行星運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的變化—后者的引力作用引發(fā)相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)致組成光的光子以能量的形式“堆積”，并集中于恒星運(yùn)動(dòng)的方向。開(kāi)普勒-76b行星的發(fā)現(xiàn)是這種方法所取得的第一個(gè)成果，并已被徑向速度法所證實(shí)。開(kāi)普勒-76b也因此得名“愛(ài)因斯坦的行星”。