眼见为实：系外行星图像15年

哈耶萨鲁亚源

（）据美国国家航空航天局科学编辑团队：首先是一个布满灰尘的磁盘。然后是“外彗星”的可追踪轨迹但是15年前的秋天，贝塔皮克托里斯星系拍出了天体物理学中最具标志性的照片之一:一颗行星围绕另一颗恒星旋转的直接图像。

这颗年轻明亮的恒星距离我们约63光年，肉眼可见，几乎淹没了行星微弱的光线。当天文学家使用欧洲南方天文台的望远镜减去星光时，这颗行星只剩下一个很小的点，几个像素。但这足以打开直接成像的新窗口。



这张合成图像展示了在近红外光下看到的β照片星的近距离环境。系外行星Beta Pictoris b是中心被遮蔽的恒星旁边的小点。这种非常微弱的环境是在非常仔细地减去更亮的恒星晕之后显现出来的。图像的外部显示了尘埃盘的反射光，这是欧洲南方天文台地面望远镜在1996年观测到的。新探测到的源比Pictoris暗1000多倍，与圆盘对齐，投影距离是地球-太阳距离的8倍。图像：ESO/A.-M. Lagrange等人。

“在那之后，我知道我想在天文学领域做什么，”玛丽·伊戈夫说，她是南加州美国国家航空航天局喷气推进实验室的一名研究人员，专门研究系外行星(围绕其他恒星的行星)的直接成像。

作为一名大学生，当她第一次看到这颗名为Beta Pictoris b的行星图像时，伊戈夫说她被惊呆了。

“尝试拍摄系外行星，尝试探测另一颗行星上的生命是如此令人兴奋，”她说。“我被卖了。”

今天，Beta Pictoris系统，简称Beta Pic，因其周围尘埃碎片的早期惊人图像而闻名，并因大量外彗星的证据而闻名，或在除我们自己以外的恒星系统中检测到的彗星。该系统中第二颗行星Beta Pictoris c的发现在2018年引起了科学界的极大兴奋。

正如一位天文学家所说，这是一份持续不断的礼物。

巴黎天文台LESIA的天文学家安妮-玛丽·拉格朗日(Anne-Marie Lagrange)说，深入参与该系统早期观测的科学家们进行了一场艰苦的斗争，说服一些同事他们的突破性发现是真实的，她一直致力于了解该系统超过30年。

作为一名实习生，拉格朗日在20世纪80年代中期开始了她的Beta Pic工作，就在圆盘图像引起巨大轰动之后。她的研究里程碑之一是在20世纪80年代末发现大量气体团块以高达每秒200英里(350公里)的速度降落到系统中央恒星的表面。

拉格朗日和她的研究伙伴依靠IUE(国际紫外线探索者)卫星的观测结果——她说，这是美国国家航空航天局哈勃太空望远镜的“祖先”——提出坠落的气体是由蒸发的彗星造成的。

“它们是围绕另一颗恒星[观察到的]第一批系外彗星，”她说。“一开始，很多人都在嘲笑它。”这些发现站得住脚，2022年宣布的进一步观察证实了系外彗星的存在。

有了这项技术，我们也许能够回答这个非常基本的问题:地球之外的宇宙中有生命吗？"

玛丽·伊戈夫

南希·格蕾丝·罗曼太空望远镜科学小组的研究员

在20世纪90年代中期，依靠最近发射的哈勃以及越来越复杂的地面仪器，科学家们意识到Pictoris周围的碎片盘是扭曲的，就像在太阳下放置太久的乙烯基唱片。

计算机模拟结果表明，这种扭曲是由一颗轨道运行的行星引起的引力偏斜。2008年，经过长时间的努力，拉格朗日和她的团队找到了回报:一张巨大气态行星的直接图像，它如此年轻，从最近形成时就一直在发光。

“好消息是，我们10年前就预测到了，”她说。

系外行星成像的未来

在探测系外行星方面，直接成像仍然是一个相对次要的角色，它的作用将在未来几年或几十年内扩大，随着技术的进步，它有望深入了解遥远行星的性质。但即便如此，一颗行星的每张“图像”仍将只是少数几个像素。

这听起来可能令人失望，尤其是在壮观的科幻电影效果的时代。如果我们发现了一颗“类地”行星，我们将看不到大陆和海洋——至少现在还看不到。但是那个微小的光点将包含大量的信息:行星大气、云层、温度的细节，甚至可能是某种生命形式的迹象。

通过将来自微小点的光分成一系列颜色，科学家可以从光谱中找到缺失的线条——当星光从大气或表面反射时，被行星大气中的分子吸收的光线片段。缺失的切片对应于行星大气中的特定气体和分子，这是一种被称为光谱学的检测方法。

美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜已经在使用机载光谱仪梳理系外行星大气的成分。在未来几年，该机构的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将于2027年5月发射，旨在研究成熟的木星大小的系外行星的多云大气。“可居住世界天文台”是一个目前处于早期规划阶段的任务概念，预计将完善这项技术，测量像我们这样的小型岩石行星的大气成分，所有这些都来自直接成像的系外行星的小点。

Ygouf是罗马望远镜coronagraph仪器项目科学团队的一部分，该仪器将阻挡来自母星的眩光，以便可以检测到来自其行星的光。该仪器旨在进行技术演示，包括两个柔性镜子，以纠正仪器和望远镜本身造成的光线扭曲。

她说，Beta Pictoris的直接成像技术有朝一日可能会解开一个终极谜团。

“有了这项技术，我们也许能够回答这个非常基本的问题:地球以外的宇宙中有没有生命？”她说。“令人惊讶的是，不可思议的是，从几个像素点我们就能了解一颗行星的许多信息:这些行星是类地还是气态的，它们是否有大气层。如果做得好的话，将来我们也许能绘制出这些行星的漂亮地图，看到潜在的云层。它可能只有几个像素，但你可以从中获得如此多的信息。”