系外行星的寻找和观测

伤我心太深

　　系外行星
　　开普勒空间望远镜发射升空之后没几个月，系统还处在适应摸索的阶段，一个偶然的机会，发现的闸门突然打开：望远镜第一次观测到了太阳系外与地球大小类似的一颗岩质行星。


　　这颗系外行星被称为开普勒10b，具有高温、质量大的特点，它的出现揭开了系外行星发现的狂潮。在之后短短20年内，我们从屈指可数的几颗确证的系外行星，到今天已经发现了3300多颗。此外，还有数千颗由开普勒空间望远镜发现的候选行星等待确认。

　　“试运行时我们就检测到了可能来自540光年外围绕另一颗恒星旋转的小型行星的信号。”开普勒团队的天体物理学家娜塔莉·巴塔拉在谈到这个于2011年对外公布的发现时说，“那时候我们第一次意识到，我们将会发现很多这类星球，会发现很多和地球差不多大小的行星。”

　　自1995年确认发现第一颗围绕类日恒星公转的系外行星以来，迄今科学家只调查了为数不多的银河系切面。即便如此，他们还是找到了许多系外行星聚集地帶。最新的统计学研究估计，在银河系中，平均每颗恒星都拥有至少一颗行星。这意味着仅仅在银河系内部，行星的数量就达到了万亿级，其中许多都和地球差不多大小。




　　“现在我们确切知道小型行星是十分常见的，这在历史上是首次。”系外行星研究先驱、麻省理工学院的萨拉·西格教授说，“这意义非凡。如果没有开普勒空间望远镜，我们就无法获取这一信息，而只能随口说行星无处不在。”

　　炽热的木星和摇摆的太阳


　　1995年发现的系外行星是一颗地表温度很高的大型气态行星，大小估计是木星的1/2。它紧紧围绕着自己的恒星运转，轨道周期只有4天，导致的恒星摇摆明显到可以被地球上的望远镜捕捉到——只要天文学家将望远镜对准它就可以。

　　发现飞马座51b揭开了行星探测经典时期的序幕。早期使用恒星摇摆追踪技术，研究人员接连发现系外行星，其中许多行星都与木星类似，同时具有地面高温和轨道周期短的特点。
　　摇摆法测定的是恒星的径向速度。恒星光线的波长随着旋转时离地球距离的细微变化不断受到交替的压缩和拉伸，这是由围绕它旋转的行星产生的引力拖拽造成的。
　　1995年，欧洲团队的米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹就是用这种方法发现了飞马座51b，引发了一场寻找系外行星的竞赛。

　　在随后的时间里，发现的系外行星从几十颗逐渐增长到几百颗。

　　确证了飞马座51b的存在后，保罗·巴特勒和杰夫·马尔西带领的旧金山州立大学科研团队重新查阅了他们收集的径向速度观测数据。整个天文学界都没有料到，恒星周围的近距离轨道上会存在大型行星。1996年，他们宣布发现两颗可信度较高的系外行星：处女座70和大熊座47。处女座70的轨道周期是116天，大熊座47的轨道周期是2.5年，而且它们所处的遥远的恒星系统与太阳系十分相似。这些发现打消了其他天文学家的疑虑。

　　巴特勒和马尔西的团队在接下来的10年中发现了首批公布的100颗系外行星中的至少70颗，成为明星团队。许多基于地面观测的科研项目也加入了这场搜寻，将系外行星的数量增加到几百颗。

　　然后，新型望远镜和新的行星探测方法抢走了他们的风头。

　　凝望太空


　　2009年，美国航空航天局的开普勒空间望远镜发射升空，开启了行星探测的新时代。开普勒空间望远镜进入了由地球拖拽的绕太阳运行轨道，然后将镜头对准了一小片天空，一观测就是4年。

　　这一小片天空包含了大约15万颗恒星。开普勒空间望远镜捕捉的是恒星亮度的微弱变化，这种亮度变化是由行星从恒星前方通过时造成的。目前开普勒空间望远镜的观测结果是：有3300多颗系外行星得到确认，其中2000多颗行星已经从观测数据中过滤出来，另外还有2400多颗候选行星等待确认。

　　开普勒空间望远镜项目在20世纪90年代经历了质疑。由美国航空航天局艾姆斯研究中心的威廉·博鲁茨基提议的设计四次遭到美国航空航天局的否决，直到2001年，博鲁茨基的设计终于获得了批准。

　　他的设计理念被证明是正确的。开普勒空间望远镜在最初4年中获得的观测数据仍然在不断揭示新行星。但在2013年，它的初次任务不得不因为反力轮失效而终止。
　　为了解决这一问题，开普勒科学团队想到了一种聪明的方法：利用阳光产生的压力来稳定望远镜的一条轴。同时，这台望远镜被改名为“K2”，继续行星探测之旅，虽然这一次的观测时间与4年相比缩短了很多。

　　其他地面和太空的观测设备也在继续着对系外行星的搜索。欧洲的CoRoT卫星先于开普勒空间望远镜投入运行，2006年至2012年，它同样利用凌星法找到了许多系外行星。
　　哈勃空间望远镜不仅发现了许多凌星的系外行星，还对其中一部分行星的大气层进行了分析。行星发生凌星现象时，恒星光线会有一部分被行星大气层折射。大气层中的气体和化学物质会吸收不同波长的光线。通过寻找恒星光谱中缺失的部分，科学家就可以得知系外行星大气层的化学组成。


　　另一台观测设备，美国航空航天局的斯皮策空间望远镜，在红外光区观测系外行星的凌星现象，并借此帮助分析测定系外行星大气层中的许多难解之谜。
　　斯皮策空间望远镜通常和地面望远镜协同工作，其中就包括智利拉斯坎帕纳斯天文台的OGLE华沙望远镜。2015年，斯皮策空间望远镜与意大利位于加纳利群岛的3.6米口径伽利略望远镜合作，找到了已知最近的岩质行星HD219134b，距离地球只有21光年。然而遗憾的是，这颗行星的轨道距离它的恒星太近，不适合生命生存。


　　迄今观测到的数千颗系外行星里，很多是使用例如凌星法和测量恒星摇摆的方法来发现的。但随着科学技术的不断发展，我们已经开始进入行星探测的全新时代：直接显像。

　　嗨，系外行星，说“茄子”!

　　天文学家认为，系外行星探测的未来完全是直接显像的天下。计划于2018年发射升空的詹姆斯·韦伯空间望远镜，以及仍在设计建造中的大视场红外巡天望远镜，会极大拓展我们捕捉遥远行星实际图像的能力，图像分辨率也会提高。

　　这些新技术会提升太空观测能力，让我们能够捕捉到体积更小的系外行星的图像。例如，大视场红外巡天项目会使用内置的日冕仪选择性地遮挡和处理入射的恒星光线，找出被淹没在恒星耀眼光线中的行星。



　　与此类似，空间望远镜可以使用叫作“遮星板”的外部设备，该设备正在由喷气推进实验室研发。遮星板在太空中展开后是向日葵形，具有棒球场内场大小。空间望远镜从上万千米之外指向遮星板，就可以过滤掉恒星发出的多余光线，捕捉围绕该目标恒星公转的行星图像。

　　在接下来的几十年中，随着空间望远镜体积变大和功能增强，或许我们最终能够捕捉到另一颗地球的标志性图像——一个由大陆、云层和海洋构成的遥远世界。
　　但是，到底什么才是地球的本质性特征?我们到底应该望向哪里，才能找到一个与它相同的宜居星球呢?