天文学在自然科学研究方面具有重大意义，比较鼓舞天文工作者的一件事当属2019年度诺贝尔物理学奖授予了三位天体物理学家，以奖励他们在扩展人类对于宇宙认识方面做出的突出贡献。其中，两位获奖者以系外行星的发现而斩获桂冠，足以看出对系外行星研究的重视程度。其实这两位获奖者是师徒关系，迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）是米歇尔·麦耶（Michel Mayor）指导的研究生，师徒同时获奖，也算是诺奖历史上的一段佳话了。那什么是系外行星呢？我们为什么要寻找系外行星？

 

图1：2019年度诺贝尔物理学奖获得者。来源：诺贝尔奖官方推特 

系外行星，顾名思义，是指处于太阳系之外的围绕其它恒星运行的行星或行星系统。自1995年第一颗系外行星飞马座51b（Pegasi 51b，就是上述后两位诺奖得主发现的那颗）被发现以来，天文学家就一直热衷于系外行星的搜寻工作。原因就在于对太阳系外行星系统的多样性研究，能更加深入的揭示我们太阳系的形成，以及为什么地球会成为宇宙中一个能孕育出生命的地方。

图2：飞马座51b    来源：https://exoplanets.nasa.gov/internal_resources

 

系外行星探测现状及方法

对围绕其它恒星运转的行星的探测一直以来是几代天文学家的长期目标，近年来，对这个快速成长的领域的研究已经取得了巨大的进步，使之成为现代天文学最具活力的分支之一。大多数情况下，进步并不是由于戏剧性的科学或技术的突破，而是通过稳步的改善望远镜和探测器，以及用计算机进行大数据分析。截止到2020年8月15日，已得到证实的系外行星有4201颗，候选星体5481颗，行星系统3112个。随着探测到的系外行星数目的快速增多，使我们确信银河系中每一颗恒星至少都伴有一颗行星。但由于这些行星非常靠近它们的母星，其亮度与母星相比显得非常暗弱，且它们距离我们非常遥远，所以发现这些行星是极其困难的。

图3：系外行星与其母星亮度对比艺术图。  来源：http://planetquest.jpl.nasa.gov 

根据观测推算出的系外行星的质量与太阳系内行星进行比较，天文学家将一些系外行星主要分为：类木行星（质量较大）——类似太阳系内的木星和土星（其中又将轨道极为靠近母星的类木行星称之为“热木星”，上文提到的飞马座51b就是一颗热木星）；超级地球（2~10倍地球质量）——质量远大于地球但比气态巨行星轻，组成成分可为岩石、气体或二者的混合；类地行星（低于2个地球质量）——组成成分为岩石，含铁核，类似太阳系内的水星、金星、地球、火星。

 

图4：气态巨行星艺术图。  来源：https://icweiliimg1.pstatp.com

 

图5：类地行星艺术图。 来源：http://www.cxyclub.cn

目前发现的系外行星主要是通过凌星法（Transit）和视向速度法（Radial Velocity）探测得到的，其中凌星法（也称掩星法）是指当行星直接从其母星和观测者中间穿过时，会观测到原恒星的光度下降，下降程度与原恒星和行星的大小有关。有“行星猎手”之称的开普勒（Kepler）太空望远镜，由美国宇航局于2009年3月6日发射升空，主要对天鹅座和天琴座中大约10万个恒星系统展开观测，其重要使命就是寻找系外行星，于2018年10月30日因燃料耗尽而退役，历时9.6年。观测数据显示，我们的天空中充满了数十亿颗隐藏的行星，在其观测到的且已得到证实的2600多个行星中，大多数都是通过凌星法发现的。

图6：凌星过程示意图。  来源：今日天文（图），NASA（视频）

 

图7：开普勒空间望远镜巡天艺术图。  来源：NASA/Ames/Wendy Stenze 

 

 

图8：数说开普勒——截至到退役时的观测成果。 来源：NASA 

视向速度法是指当一颗行星绕恒星运行时，该恒星实际上是围绕二者的质量中心运转，会发生轻微的“摇摆”。行星质量越大或者恒星质量越小，恒星的运动就会更强烈，如果恒星的摆动发生在沿着我们的视线方向，那么我们就会看到恒星的视向速度有微小的波动，进而可利用多普勒效应进行测量。

               

图9：多普勒效应测视向速度。  来源：今日天文（图），NASA（视频） 

除了上述两种探测方法，在系外行星的搜寻工作中用到的还有引力微透镜法（Microlensing）、直接成像法（Imaging），脉冲星计时法（Pulsar Timing）等，每一种方法都有其优势和限制条件。例如引力微透镜是指遥远星球的光线在经过大质量天体时会发生弯折，出现类似透镜的放大效应。如果作为透镜的天体拥有行星，那么行星引力会对透镜效应造成可测量的影响。因为星系中心可以提供大量背景星，所以这种方法对探测位于地球和星系中心之间的行星很有效。但由于星球之间的直线排列几乎不能重复出现，所以透镜效果不能重复观测。直接成像法则要求行星体积较大，距离母星较远，能发出强烈红外线的年轻行星。脉冲星计时法灵敏度最高，能探测出只相当于0.1个地球质量的行星及行星系统内的引力扰动，但由于脉冲星稀少，所以用这种方法很难发现大量行星。

 

图10：引力微透镜探测示意图。  来源：NASA

 

 

图11：直接成像法探测示意图。  来源：NASA

 

图12：系外行星探测统计。  来源：NASA

 

寻找地球2.0

我们不遗余力的想要探测更多的系外行星，原因之一就是希望能够找到地球“双胞胎”——地球2.0。不只是天文学家，来自各界的人们都在等待着一颗围绕另一颗恒星的真正类似地球的行星被发现，好奇它是否像地球一样拥有蔚蓝的天空，深邃的海洋以及适宜生命存活的土地？最重要的是，它适合人类居住吗？

如果类似地球的环境是我们的终极目标，那么有生命存在的关键要求是有水存在于行星表面或地下，这意味着其表面温度大约在0~100摄氏度范围内，我们将恒星周围存在液态水且温度适宜的这一区域范围称为行星宜居带。一般来说，对于低质量、暗弱的恒星，其宜居带范围较小且靠近恒星，而对于较大质量、较明亮的恒星，其宜居带远离恒星且宽度更大。 

 

图13：宜居带示意图。来源：https://exoplanets.nasa.gov

目前为止，发现的大多数行星都是气态或冰质的巨星，像地球一样拥有岩质表面且有液态水存在的行星极少。在寻找地球2.0的过程中，2015年7月23日美国宇航局宣布发现开普勒425-b，这一发现具有里程碑式的意义。因为这是第一个在与我们太阳相似的恒星宜居带中发现的与地球大小近似的世界，关于这颗行星的已知情况是，它比地球大1.6倍，被称为“超级地球”、“地球的大表哥”。虽然它的质量和组成尚未确定，但先前的研究表明，像开普勒452-b这样大小的行星更有可能成为岩质行星。开普勒452-b轨道周期385天，其母星距离天鹅座大约1400光年远，是一颗类似太阳的G2型恒星，具有与太阳几乎相同的温度和质量。

 

图14：开普勒-452b艺术图。 来源：NASA Ames/JPL-Caltech/T.Pyle

图15：开普勒452系统与开普勒186系统、太阳系的比较艺术图。  来源：NASA/JPL-CAlTech/R.Hurt

数千亿颗行星很可能被银河系的巨大漩涡所包围。从地球，一个孤独的前哨站在它的一个旋臂上，我们已经开始窥视虚空，已经可以模糊地分辨出环绕遥远恒星运行的行星发出的光，甚至通过剖析这些微弱的光的痕迹，试图猜想它们的大气组成。系外行星探测计划的最终目标是找到生命存在的明确迹象，而这个目标的实现取决于两个未知数：一是银河系中生命的普遍性，二是我们采取这些初步的、试探性的、探索性的步骤时我们有多幸运。 

 

未来计划

如今系外行星搜寻工作还处于早期阶段，比如已退役的开普勒(Kepler)太空望远镜，正在工作的凌日系外行星探测卫星（Transiting Exoplanet Survey Satellite，简称TESS）,或者即将到来的詹姆斯韦伯（James Webb）太空望远镜，都可能为潜在的可居住世界提供一些最基本的证据。也许TESS对更近、更亮的恒星的搜寻，会在其恒星的宜居带偶然发现一颗地球大小的行星，并且由于距离足够近，其它仪器也可以继续观测，从而揭示是否有海洋、蓝天和大陆存在的相关信息。詹姆斯韦伯太空望远镜设计的部分目标是研究气态巨行星和超级地球，所以可能会发现我们星球的放大版本。

图16：TESS巡天艺术图。  来源：NASA

图17：建造中的詹姆斯韦伯太空望远镜。  来源：NASA 

太阳系约形成于45亿年前，我们几乎不可能重建这一壮丽事件的细节，而对系外行星的搜寻工作，正在帮助我们破译自身起源。地球2.0在哪里？目前虽不能准确地探测到，但我们生活在一个非凡的时代，我们实际上正在解决——有时是在回答，一些人类已经思索了几千年的最深奥的问题，而这一问题终将会得到解答。

 

 

参考资料

《今日天文——太阳系和地外生命探索》 [美]埃里克.蔡森；[美]史蒂夫.麦克米伦

《系外行星探测方法》http://www.exoplanet.eu/

《开普勒-47双星系统的宜居带》 胡娟秀，郭建坡，何超琼，仓荣琴

作者简介

董诗音，华中科技大学天文系硕士研究生。 

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 编校：雷卫华  许文龙 

 文章编号：华中大天文200815A