【原】天文學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)系外行星的？

艾?？破站?/a> 2020-01-01

什么是系外行星？

系外行星，就是太陽(yáng)系之外的行星。太陽(yáng)是恒星，太陽(yáng)系是一個(gè)恒星系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)以及八大行星和其它小天體構(gòu)成。

太陽(yáng)系內(nèi)有金木水火土五大行星，再算上地球、天王星和海王星，總共是八大行星。人類(lèi)對(duì)太陽(yáng)系的深入探索已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)了，人類(lèi)已經(jīng)向八大行星分別發(fā)射了數(shù)十個(gè)探測(cè)器，其中人類(lèi)向火星和金星發(fā)射的探測(cè)器數(shù)量最多。通過(guò)對(duì)太陽(yáng)系八大行星的研究，科學(xué)家們根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，建立了關(guān)于行星的形成及演化理論。

銀河系很大，直徑大約10萬(wàn)到20萬(wàn)光年，銀河系里估計(jì)有2000億顆恒星。太陽(yáng)是一顆黃矮星，銀河系中像太陽(yáng)這樣的黃矮星大約有60億顆，占銀河系恒星總量的3%。銀河系中有這么多恒星，按理來(lái)說(shuō)，它們應(yīng)該也像太陽(yáng)一樣擁有幾顆行星。其它種類(lèi)的恒星也可能擁有行星。

截至目前，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾千顆系外行星，而且其中有少量類(lèi)似于地球的行星。距離地球最近的恒星是比鄰星，光從比鄰星到達(dá)地球需要4.2年。人類(lèi)從夜空中只能用肉眼看到6000多顆恒星，由于距離遙遠(yuǎn)，看到的都是一個(gè)閃閃發(fā)光的點(diǎn)。行星本身并不會(huì)發(fā)光，行星雖然會(huì)反射恒星的光芒，但是由于恒星之間的距離太遙遠(yuǎn)，從地球上很難通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡直接發(fā)現(xiàn)系外行星的存在，那科學(xué)家又是通過(guò)什么方法發(fā)現(xiàn)的呢？

系外行星是如何被發(fā)現(xiàn)的？

用天文望遠(yuǎn)鏡直接拍照，顯然是不切實(shí)際的。既然不能直接發(fā)現(xiàn)，那我們就用間接法。常用的主要可以分為兩種方式：恒星擺動(dòng)觀測(cè)法和行星凌日觀測(cè)法。

1，恒星擺動(dòng)觀測(cè)法

行星除了自轉(zhuǎn)，還在圍繞恒星以橢圓軌道做周期運(yùn)動(dòng)。普通人眼中，小質(zhì)量的天體總是在圍繞大質(zhì)量天體運(yùn)轉(zhuǎn)。實(shí)際上，它們?cè)趪@著共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)。

以木星例，通常認(rèn)為木星在繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，實(shí)際上木星和太陽(yáng)在繞著它們的公共質(zhì)心旋轉(zhuǎn)（如下圖所示）。太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.9%，而木星的質(zhì)量是太陽(yáng)系內(nèi)其它七大行星總質(zhì)量的2.5倍，大約是太陽(yáng)質(zhì)量的千分之一。因此，木星和太陽(yáng)的公共質(zhì)心位于太陽(yáng)表面之外，這樣太陽(yáng)便會(huì)出現(xiàn)明顯的擺動(dòng)現(xiàn)象。下邊動(dòng)圖中的描述顯然有點(diǎn)夸張。

關(guān)于恒星的擺動(dòng)，一種是直接追蹤恒星在天空中的運(yùn)動(dòng)軌跡的微小變來(lái)確定行星的存在。2010年發(fā)現(xiàn)的系外行星HD176051b，就是借由這種方式發(fā)現(xiàn)的。不過(guò)這種測(cè)量方式運(yùn)用比較困難。

另一種則是通過(guò)測(cè)量恒星受行星影響在天空中產(chǎn)生的擺動(dòng)所引起的恒星光芒的變化，來(lái)確定行星的位置和質(zhì)量。遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)動(dòng)時(shí)與地球發(fā)生遠(yuǎn)近變化，這會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。當(dāng)恒星遠(yuǎn)離我們時(shí)，該恒星的光譜會(huì)發(fā)生紅移；當(dāng)恒星靠近我們時(shí)，該恒星的光譜會(huì)發(fā)生藍(lán)移。通過(guò)測(cè)量恒星光譜的微小變化，天文學(xué)家就能確認(rèn)系外行星的存在。目前最先進(jìn)的光譜儀已經(jīng)能夠檢測(cè)到1米/秒的速度變化。這種探測(cè)方法又被稱(chēng)之為徑向速度法。

上圖為恒星擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)。

總結(jié)起來(lái)，行星對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生各種影響，會(huì)讓地球上的觀察者看到的恒星的一些屬性發(fā)生微小的變化，比如亮度、速度、光譜等，通過(guò)觀測(cè)這些變化，以此來(lái)確定行星的存在，還可以確認(rèn)系外行星的一些相關(guān)數(shù)據(jù)。這就是恒星搖擺觀測(cè)。

這是目前卓有成效的方法，許多系外行星都是通過(guò)這種方法被發(fā)現(xiàn)的。不過(guò)，這種方法只能尋找質(zhì)量較大且比較靠近恒星的行星，質(zhì)量較小的行星對(duì)恒星產(chǎn)生的影響極其微弱，很難檢測(cè)到。目前的技術(shù)，只能夠發(fā)現(xiàn)200光年內(nèi)的恒星變化。理論上來(lái)說(shuō)，只要儀器足夠靈敏，就可以檢測(cè)到更遠(yuǎn)處恒星的變化。

2，行星凌日觀測(cè)法

行星凌日這種現(xiàn)象，在太陽(yáng)系內(nèi)就可以看得到。在地球軌道內(nèi)還有水星和金星，在地球上就可以看到水星凌日或金星凌日這種天文現(xiàn)象，條件是恒星、行星和觀測(cè)者三者基本上處于同一直線上。

以水星凌日為例，水星的公轉(zhuǎn)周期為88天，太陽(yáng)、水星、地球排成一條直線，這種現(xiàn)象一個(gè)世紀(jì)平均發(fā)生13次。不過(guò)由于銀河系中恒星眾多，行星的數(shù)量應(yīng)該更多，觀測(cè)到這種現(xiàn)象的幾率就大多了。

如圖所示，水星凌日和金星凌日現(xiàn)象，太陽(yáng)表面好像出現(xiàn)了一個(gè)很大的黑子。

當(dāng)行星在觀察者的視線中通過(guò)恒星表面時(shí)，會(huì)遮擋一部分恒星的光線，這會(huì)引起恒星的亮度發(fā)生變化，由此便可以確認(rèn)行星的存在。若我們知道恒星的相關(guān)數(shù)據(jù)，還可以用該方法確認(rèn)行星的直徑。不過(guò)這種方法也有缺陷，有時(shí)候可能是其它天體遮擋了該恒星的光線，因此往往需要配合其它觀測(cè)方法來(lái)驗(yàn)證行星的存在。這是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)系外行星的重要方法之一。

行星凌日時(shí)還會(huì)產(chǎn)生另一種效應(yīng)——引力透鏡效應(yīng)，這是相對(duì)論中的成果。比如太陽(yáng)就能彎折背景恒星發(fā)出的光（當(dāng)星光通過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，理論上會(huì)發(fā)生1.75角秒的偏折），形成引力微透鏡。行星也能夠?qū)阈堑墓饩€產(chǎn)生彎曲。不過(guò)這種變化實(shí)在太微小了，行星對(duì)光線的偏折角更微小，因此這種測(cè)量方法目前只停留在理論上，實(shí)際應(yīng)用非常困難。

上圖為引力透鏡效應(yīng)示意圖。

3，其它方式

此外，行星的運(yùn)動(dòng)還會(huì)使恒星的視亮度發(fā)生改變，恒星的實(shí)際亮度并不會(huì)改變。行星的引力能夠使恒星發(fā)出的光線產(chǎn)生變化，進(jìn)而影響到恒星的視亮度。地球上的精密儀器接收到的亮度會(huì)發(fā)生微小的變化，通過(guò)檢測(cè)這種亮度變化也能確定行星的存在。不過(guò)這種測(cè)量方式也非常困難。

綜上所述，由于行星幾乎不發(fā)光，根本原理還是通過(guò)觀測(cè)恒星來(lái)確認(rèn)行星的存在，因?yàn)樾行堑拇嬖诒厝粫?huì)影響到恒星。這就是科學(xué)上常見(jiàn)的間接觀測(cè)法。

系外行星的發(fā)現(xiàn)史

在很久以前，天文學(xué)家就相信，宇宙中一定存在著與太陽(yáng)系類(lèi)似的恒星系統(tǒng)，而且還有可能存在與地球類(lèi)似的行星，還可能存在與地球生命類(lèi)似的生命，因?yàn)橛钪鎸?shí)在太大了。

直到上世紀(jì)90年代，隨著天文觀測(cè)技術(shù)的革新（主要是因?yàn)槿祟?lèi)發(fā)射了太空望遠(yuǎn)鏡），硬件達(dá)到了應(yīng)有的水平，天文學(xué)家開(kāi)始證實(shí)腦中的想法，第1批系外行星也就在這個(gè)時(shí)期被發(fā)現(xiàn)了。到了新世紀(jì)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的系外行星的數(shù)量越來(lái)越多，我們更有理由相信，宇宙中行星的數(shù)量非常龐大，宇宙中一定存在別的生命。

如圖所示，系外行星Kepler 186 f 的假想圖。

在這個(gè)觀測(cè)過(guò)程中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一些不圍繞任何恒星旋轉(zhuǎn)的行星，這些天體擁有行星般的大小，我們可以把它稱(chēng)之為流浪行星。

截至目前，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000來(lái)顆系外行星。NASA曾于2009年發(fā)射了專(zhuān)門(mén)用于探測(cè)系外行星的望遠(yuǎn)鏡——開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡，已于2018年退役。該望遠(yuǎn)鏡可以觀測(cè)10萬(wàn)顆恒星的光度，用來(lái)檢查是否有行星凌日現(xiàn)象發(fā)生。僅開(kāi)普勒太空望遠(yuǎn)鏡就發(fā)現(xiàn)了1000多顆系外行星。