为什么说系外行星普遍存在？
系外行星是指，太阳系之外围绕其它恒星运行的行星。天文学家于2008年首次拍到了太阳系外行星的直接图像，到目前为止已经探明的系外行星数量已超过数千颗。因此，系外行星数量的激增远超乎科学家的预期。
太阳系外行星（简称系外行星；英语：extrasolar planet或exoplanet）泛指在太阳系以外的行星。历史上天文学家一般相信在太阳系以外存在着其它行星，然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至1990年代人类才首次确认系外行星的存在，而自2002年起每年都有超过20个新发现的系外行星。现时估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星。随着系外行星的发现便令人引伸到它们当中是否存在外星生命的问题。
视向速度法
和天体测量法相似，视向速度法同样利用了恒星在行星重力作用下在一条微小圆形轨道上移动这个事实，但是目标是测量恒星向著地球或离开地球的运动速度。根据多普勒效应，恒星的视向速度可以从恒星光谱线的移动推导出来。
凌日法
运用以上的方法可以估计系外行星的质量，而凌日法则可估计行星直径。当行星行经其母星和地球之间（即凌），则从地球可视的母星光度便会轻微下降。光度下降的程度和母星及行星的大小相关，例如在HD 209458光度便会下降1.7%。
重力微透镜法
重力微透镜是重力透镜现象的一种，是星体引力场导致远处另一星体的光线路径改变而造成类似透镜的放大效应，这现象只会当两个星体和地球几乎成一直线才会出现。因为地球和星体的相对位置不断改变，这种透镜事件只会维持数天至数周。在过去十年，已观测到超过一千次重力微透镜现象。
探测系外行星的利器——“开普勒望远镜”（使用凌日法）
开普勒太空望远镜（Kepler Mission）是美国国家航空航天局设计来发现环绕着其他恒星之类地行星的太空望远镜。使用NASA发展的太空光度计，预计将花3.5年的时间，在绕行太阳的轨道上，观测10万颗恒星的光度，检测是否有行星凌星的现象（以凌日的方法检测行星）。为了尊崇德国天文学家约翰内斯·开普勒，这个任务被称为开普勒太空望远镜。开普勒是NASA低成本的发现计划聚焦在科学上的任务。NASA的艾美斯研究中心是这个任务的主管机关，提供主要的研究人员并负责地面系统的开发、任务的执行和科学资料的分析。
在经过数个月的努力后，美国航天局2013年8月15日宣布放弃修复“开普勒”太空望远镜。“开普勒”由此结束搜寻太阳系外类地行星的主要任务，但它仍可能被用于其他科研工作。
系外行星存在的普遍性远超科学家之前的预期！
人们正在以惊人的迅猛步伐不断发现系外行星。今年5月，当新闻界关注这一话题时，天文学家宣布总共已经确认了700多颗系外行星，此外美国宇航局（NASA）的开普勒空间望远镜还发现了超过3500颗可靠的系外行星候选体。
“开普勒”望远镜最激动人心的成果之一，是在一颗类日恒星的宜居带中发现了一颗1.5倍地球直径的候选系外行星，这项空间任务还找到了另外数十颗可能的宜居行星。“开普勒”的大批量凌星行星观测系统已经飞速获取了很多新发现。它还首次发现了环双星系外行星——围绕两颗恒星运转的行星。欧洲的天文学家或许在环绕恒星半人马座αB的轨道上发现了一颗地球质量的行星，半人马座α是一个三重恒星系统，也是距离太阳最近的恒星（不过最近对这颗行星发生了争议）。
除了这些具体的发现，利用“开普勒”等观测项目累积的数据，天文学家们正在接近关于银河系行星的一系列最重大问题的答案：它们的普遍性、性质，以及形成过程。下面就是对于其中部分最令人关心的问题目前可以做出的回答。
在银河系中，行星存在的普遍性如何？
长期以来，天文学家们一直猜想行星是恒星形成过程中与生俱来的副产品：可能除了质量最大的少数恒星，在各类恒星周围都有原行星盘环绕，形成恒星所剩余的盘中气体和尘埃造就了行星。这一想法现在已得到坚实的证据支持。
有几项研究估量了银河系中行星存在的普遍程度。利用微引力透镜技术，系外行星搜索工作已经获取了行星数量的第一个有价值的估计结果：在银河系中，每颗太阳质量的单星平均拥有一至数颗行星，分布在平均距离为0.5至10天文单位（日地平均距离为1天文单位）的轨道上。
根据“开普勒”在数据获取期的最初三年中的行星发现率，可以得出这样的结论，至少70%的类日恒星拥有轨道周期短于85天的行星。因为我们仍在继续分析“开普勒”在过去几年中得到的数据，而这一工作可能帮助我们找到轨道周期更长的行星，所以类日恒星的行星拥有率还会进一步上升。
我们还希望获知一种最常见类型恒星——红矮星（M型恒星）的行星拥有率。这种低光度恒星的质量仅有太阳的5%至10%，但它们占银河系恒星总数的70%左右。尽管最近有人分析“开普勒”的数据后认为，银河系中的每颗M型矮星都至少有一颗行星，但是这一结论还需要更多观测数据的支持。不过看来在M型矮星周围，确实普遍地存在着系外行星。
将所有观测结果综合起来，我们发现，平均每颗恒星应当至少有一颗行星。“开普勒”探测器和其它视向速度巡天项目已经发现了数十个多行星系统，然而拥有一颗以上行星的恒星究竟占多大比例，仍然是未知数。考虑到银河系至少有1000亿颗恒星，那么至少应有1000亿颗行星正在银河系中围绕恒星运转。行星真是无处不在！
系外行星的质量、尺寸以及到寄主恒星距离的分布情况如何？
目前，我们关于系外行星的知识主要来自于“开普勒”探测器、视向速度探测、微引力透镜巡天。“开普勒”已经观测了超过15万颗恒星，因而发现了足够多的系外行星，使我们有能力开始解答这一关键问题。“开普勒”发现，主序的G型和K型恒星（都与太阳类似）的行星拥有率是：17%拥有半径为地球的0.8至1.25倍、轨道周期短于85天的行星；25%拥有超级地球尺寸（1.25至2倍地球半径）、轨道周期小于250天的行星。“开普勒”的观测结果中周期小于50天的那部分可以通过视向速度观测方法来验证。
幸运的是，微引力透镜巡天对于远离寄主恒星的系外行星非常敏感。这类研究已经发现，在0.5至10天文单位的轨道距离上，17%的恒星拥有0.3至10倍木星质量的行星。冷海王星（10至30倍地球质量）和超级地球（5至10倍地球质量）更为普遍：拥有这两类行星的恒星分别达52%和62%，但这些百分比数据仍然有很大的不确定性。
随着不断地耐心积累系外行星的观测数据，我们现在可以有把握地认为，在银河系中，较小的行星的数量超过较大的行星。实际上，尺寸较小、质量较低的系外行星的出现率要远远高于较大行星。在类似太阳系的行星系统中，较小行星处于内侧而气态巨行星远离恒星，这种系统的普遍性如何？
对这问题仍然没有确定的答案，因为探测到这种构造类似太阳系的行星系统极其困难。现阶段，我们暂时只能将“类太阳系系统”粗放地定义为拥有远距离巨行星的行星系统，因为“开普勒”极少在接近地球和金星的轨道距离上探测到严格意义的地球尺寸和金星尺寸的系外行星。
微引力透镜巡天提供了有关这个问题的最新成果，这种方法能探测到远离寄主恒星的行星。约有20%的行星系统拥有两颗远距离巨行星，但是这一数据也有很大的不确定性。视向速度巡天已经辨别出了几颗木星质量的系外行星，它们在远离类日恒星5天文单位（木星的轨道距离）的轨道上运行，但是对于已观测的约3000颗恒星，详细的统计分析仍未完成。我们可以有根据地猜测，仅有1%至20%的行星系统可能在构造上类似于太阳系。
大多数多行星系统是否轨道共面，就像太阳系的这些行星一样？
对于大多数已知的系外行星系统，我们缺乏足够信息来回答这一问题。但是对于“开普勒”所发现的多行星系统，我们可以指出其行星是共面的，抑或相互之间不会掩食寄主恒星。通过一些非常巧妙的方法，天文学家已经发现，85%的“开普勒”多行星系统具有共面性，各轨道面集中在3°以内。另外几项视向速度观测也得出了类似结论：在多行星系统中，各成员间的相互倾角很低。这意味着，各行星都形成于同一个盘之中，后来也不曾经历过严重的外加引力扰动，因为引力扰动会增大相互间的轨道倾角。
为什么许多系外行星与太阳系诸行星不同，其轨道是高度扁长的？
在一些恒星周围，在行星形成过程的晚期阶段，存在着许多巨大的天体，以至于无法避免相互影响。这些行星会近距离遭遇，并导致相互驱离，结果是它们之间的强烈引力作用提高了轨道的偏心率（扁长程度）。在系统中，如果木星质量的巨行星没有其它可探测的同伴，则通常都具有高偏心率的轨道，这一事实有力地支持了上述图景。这些行星似乎都是驱离事件的幸存者，而另一颗或多颗行星则被抛入了行星际空间。多行星系统的成员一般都有着较低的轨道偏心率，意味着它们或许避免了惨烈的行星弹射游戏。几乎所有的热木星（在水星轨道距离的1/10至1/5以内的木星质量的行星）都有极低的轨道偏心率，这一点儿都不奇怪，因为在漫长的时间尺度上，它们与近旁的寄主恒星相互间的潮汐作用会使其轨道变得接近圆形。
热木星的普遍性如何？它们怎样来到目前的近距轨道上？
系外行星研究领域的开创与热木星有着莫大的关联。1995年发现了热木星飞马座51b，这是人类找到的第一颗围绕类日恒星运转的系外行星。热木星有着极为巨大的尺寸和质量，很可能在其寄主恒星前方造成凌星现象，因而很容易被凌星探测和视向速度探测所发现。除了屈指可数的几个例外，热木星都有着目前技术可以观测到的大气层。
尽管热木星有着利于发现、便于后续研究的各种特征，但它们其实是一种很罕见的行星类型。统计研究指出，对于一颗类日恒星，热木星的出现率仅有0.5%至1%。天文学家不认为热木星是在目前位置上形成的，因为在原行星盘中，靠近恒星的地方并没有足够的物质材料。大多数热木星似乎形成于非常遥远的外围区域，后来内向迁移到目前位置。
哪些物理过程将热木星推向或拉向内侧轨道？
有两种机制最受关注，即盘迁移和驱离。在盘迁移中，盘物质与行星相互作用，吸收行星的角动量，使其缓慢地向内螺旋移动。在驱离过程中，行星受到另一颗行星或恒星伴星的引力作用而向内迁移。一个有趣的线索是，部分热木星有着非常奇异的轨道倾角，公转方向与恒星自转方向相反，或者沿极轨道运行。这些行星可能就是被驱离到目前位置上的。
怎样解释系外行星系统的广泛多样性？
行星形成过程起始于某种随机的情形，牵涉到很多不同的过程。例如，在原行星盘中会形成数量巨大的星子，而大自然并未注定其中哪一个最终会发展壮大，统治周围的空间。
行星系统的多样性或许也在某种程度上反映了行星形成机制的多样性。大多数行星可能是通过“翻转机制”形成的，在这种机制里，一个岩质的核心吸积周围的物质。但是一部分气态巨行星则可能以“上下机制”形成——盘内的大量气体在引力作用下迅速塌缩，形成一颗木星质量的行星。
系统的多样性也可能与不同原行星盘的质量有关，即使对于同一类型的恒星，盘的质量范围也有很大变化。例如，“开普勒”已经发现了几个不寻常的行星系统，其中有2至6颗行星在寄主恒星周围1天文单位以内运行。理论家们已经提出，这些紧凑系统中的行星就是在目前位置上，在原行星盘中形成的，而它们的盘则比原始太阳系的盘所包含的物质多得多。
行星系统的多样性应该也受到了行星迁移机制的影响，行星会在盘中移动，最终来到与诞生时大不相同的轨道上。对于行星系统的构造而言，行星相互驱离以及行星与盘的相互作用，这两种机制哪个更重要？天文学家们仍争论不休。
有多少“流浪行星”正在星际空间中不受恒星约束、自由自在地游荡？
在银河系中，自由漂浮的行星可能与受恒星支配的行星数量相当：至少1000亿颗。在年轻的行星系统中，环境相当混乱、不稳定，行星（特别是低质量的）会被气态巨行星的强大引力作用驱逐出去。时至今日，对于这段远古的动力学混乱时期，我们还能看到一些余迹：大量行星沿着扁长的轨道运动，另一些的轨道则远离寄主恒星的赤道面。
微引力透镜观测已经报道了大量自由漂浮的气态巨行星，并发现其数量几乎是典型恒星的两倍。这些发现的依据是，这些没有寄主恒星存在迹象的行星质量天体的微引力透镜效应，以及实测获得的恒星或行星导致的折射率、微引力透镜事件的概率及其发现率。不过，仍然存在这样一种可能性：微引力透镜法发现的行星与寄主恒星之间过于遥远（大于10天文单位），以至于无法探测到恒星的存在。但是我们已经获得了可靠证据，表明所发现的行星的确是自由漂浮的。
如果大量恒星拥有木星质量的行星——这似乎就是真实情况——那么银河系中一定拥有大量被抛出的低质量行星，因为在形成中的行星系统里，较小的行星比气态巨行星更容易被抛出。
在双星系统中，行星存在的普遍程度如何？
“开普勒”探测器最近发现了至少6颗围绕双星运转的行星。项目科学家估计，约有1%的密近双星拥有一颗基本与双星共面的气态巨行星，这是一个至少有几百万成员的围绕双星运转的行星大家族。天文学家仍未找到环双星轨道上的较小行星，因此还没有这类系统的统计数据。此外，对于环绕双星系统的一颗单个恒星的行星，也没有可靠的统计，尽管视向速度巡天已经发现了多颗此类行星。
未来能找到系外行星的卫星吗？
发现系外气态巨行星的卫星是非常可能的，为此，“开普勒”项目再度提供了最乐观的信息。对行星施加引力作用，进而稍许改变其凌星的持续时间和发生时刻，行星周围的卫星就可能暴露自身的存在。天文学家们正在全面审视“开普勒”数据，以图发现卫星，但迄今为止，他们仅仅排除了7颗行星周围存在地球尺寸卫星的可能性，这些行星所在的系统都有多颗凌星行星。未来数年内，就会确定发现卫星的可能性有多大。
如果系外气态巨行星拥有与木星辐射强度类似的辐射带，其卫星会不会适宜生命存在呢？一些天文学家对此很有兴趣。这种辐射可能对地表的生物过于残酷，但地下和海洋的生命则可以免受其害。
在宜居带中存在地球尺寸的行星，这种情况的普遍性如何？
这个问题价值6亿美元，因为“开普勒”探测器正是为此建造的。最新公布的“开普勒”数据中包括数十个位于恒星宜居带的系外行星候选体。尽管“开普勒”的观测工作可能已经结束，但科学家们仍将在今后若干年中继续分析其数据，因此，未来取得重大发现依然大有希望。
近期的一项研究关注了M型矮星宜居带中的“开普勒”行星，它发现每颗恒星拥有这样的地球尺寸行星的概率是0.015（每67颗恒星中就有1颗如此）。科学家们进一步推断，位于一颗低温恒星的宜居带中、地球尺寸的最近的凌星系外行星应当在95光年的范围内，而最近的宜居带非凌星系外行星则应在23光年以内。
视向速度观测已经在数千光年的范围内辨别出了大约6颗潜在的宜居带行星。但是宜居带行星候选体的质量很低，视向速度信号非常微弱，因此其中有许多可能都将遭到否定。对于低质量行星的视向速度观测，科学家们可能已经接近了它的技术极限。我们将不得不经常面对复杂的数据分析工作给出的模棱两可的系外行星探测结果，因为数据分析是在一片嘈杂声中榨取一丁点儿微弱的信号。或者必须找到一条新途径，去建造一系列巨型地基望远镜，以收集更多的信号。
令问题更复杂的是，如何界定宜居带的问题仍未被解决。我们现在意识到，宜居带比过去预期的更加宽广，而且它很可能是针对不同行星而变化的。例如，我们从地球上得到的经验是，温室气体的作用非常强大，二氧化碳的含量只要增加百万分之几十，就会导致巨大的气候问题。超级地球可能有着比地球更厚重的大气，并伴随着强烈的温室效应带来的升温。一些超级地球可能有富氢的大气，而在某些情况下，分子氢可能是非常强的温室气体——它能导致远离寄主恒星的行星升温。由于温室气体的升温效应，实际的宜居带可能是随着每颗具体的行星而改变的，对于类日恒星，其范围在0.5至10天文单位之间大幅变化。
生命行星的普遍性如何？
由于地球是目前唯一已知的生命行星样本，因而迄今我们仍然缺乏数据，还不能给出这个深刻问题的答案，尽管“开普勒”探测器发现较小行星在宇宙中极其普遍，让我们有理由对此感到乐观。生命的原料——有机分子——也已经在恒星际空间中被发现，这一事实也令人振奋。在银河系中至少有1000亿颗恒星，而在可观测宇宙中有着超过1000亿个星系，因此肯定在某处有地外生命存在。实际上我们是在期望，在太阳周围30光年以内有生命行星存在，这样，未来的望远镜就可以研究它们的大气，帮助我们推测出一些外星生物学知识。
迄今所发现的系外行星给我们的最大启示是什么？
天文学家已经发现了许多系外行星，它们覆盖了可探测到的全部质量、尺寸、轨道和系统结构。行星形成涉及到一些随机过程，行星可以从诞生时的初始轨道发生迁移。我们已经了解到，在物理学和化学法则的允许范围内，对于系外行星，一切皆有可能。
继“开普勒”任务之后，NASA和ESA的后续计划是什么？
经过一番激烈竞争，一项系外行星观测任务被纳入了NASA的“探索者计划”，并获得了2亿美元的投资额度。在天体物理学类别中，有两项候选任务得到了认真考虑，而NASA选择了TESS，即“凌星系外行星卫星”。该项目将进行全天巡天以搜索环绕明亮恒星运转的凌星超级地球，由我在麻省理工学院的同事George Ricker领导。计划发射时间是2017年。
欧洲空间局（ESA）也选择了一项将于2017年升空的凌星行星搜索望远镜——CHEOPS（系外行星特征卫星）。它将对高亮度恒星采用高精度测光技术，在已被视向速度观测所发现的行星中搜索未知的凌星行星。ESA还将审查EChO（系外行星特征天文台）项目，它是一台设计用于研究系外行星大气的空间望远镜。
近期，NASA宣布将审查两架不同空间望远镜的概念设计，它们都能够直接拍摄系外行星。这些任务将获得10亿美元以下的投资额度，尽管目前预算紧张，但它们有可能在下个十年中完工。人们终将拍摄地球尺寸的系外行星，并获取其光谱，以找寻生命活动的标志性气体的信号，在为这一雄心壮志研发关键技术的同时，上述项目将首先拍摄大型系外行星。
业余天文学家可以提供哪些帮助？
通过筛查数据和进行望远镜观测，业余爱好者可以为搜寻系外行星提供帮助。只需一台计算机和互联网，全世界有25万名爱好者正通过Planethunters.org网站，从“开普勒”项目的公开数据中寻找凌星现象。这些公众科学家已经发现了20颗有希望的候选系外行星，并有1颗已获得确认。
利用配备CCD相机的小型望远镜，业余爱好者也可以帮助搜寻凌星系外行星和微引力透镜行星。对于凌星观测，最佳策略是监视那些已知有系外行星存在，但不清楚其是否为凌星行星的恒星。尽管一颗行星凌星的可能性很低，但是明亮恒星周围的每一颗凌星行星都具有很高的科学价值，值得我们对所有这些行星都展开后续的凌星观测。下面两个网址开列了它们的凌星时刻，并讨论了所需装备和软件：http：//transitsearch.org和http：//brucegary.net/book_EOA/x.htm因为只能在夜晚观测，业余爱好者可以填补专业天文学家无法覆盖的地面经度区域，帮助进行微引力透镜观测。来自爱好者的支持可以实现微引力透镜行星事件的连续监视，这种事件的持续进程是以半天的间隔度量的。要获得质量、轨道距离等重要的行星参数，连续观测是不可或缺的。
什么样的恒星最可能拥有行星？
研究表明，重元素含量高的恒星最可能拥有巨行星。一个强有力的证据是，绝大多数木星质量的行星都是通过在岩质核心周围吸积气体而形成的。而较小的行星则在重元素丰度变化很大的各类恒星周围都有发现。
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发表于 2013-11-12 00:58:57
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