劉聲遠(yuǎn)

太陽系外的行星是什么模樣？科學(xué)家才剛開始有所知道

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的系外行星（太陽系以外的行星）數(shù)量，就像涓涓細(xì)流已變成滾滾洪流。從發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星以來才不過20幾年，地面和空間觀測技術(shù)的進(jìn)步就讓已發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量飆升至2000顆以上。這些系外行星中包括“熱木星”“超級地球”及其他奇異類型的行星。這些在太陽系中沒有的行星類型，逼迫科學(xué)家把他們有關(guān)行星系統(tǒng)形成和演化的理論推倒重來。

然而，對系外行星的發(fā)現(xiàn)又可以說是剛剛才開始。在系外行星的搜尋方面，科學(xué)家正強(qiáng)力推進(jìn)又一個(gè)重要階段：查明這些世界長得什么模樣。大多數(shù)搜尋系外行星的技術(shù)，除了能告訴我們行星質(zhì)量、大小和軌道參數(shù)外，能揭示的其他信息少之又少。系外行星究竟是像地球這樣的巖石行星，還是像木星那樣的氣態(tài)巨行星？系外行星的溫度很高還是很低？系外行星的大氣層由什么組成？它們的大氣成分中，像水、甲烷和氧這樣的分子的比例是否獨(dú)特而又不穩(wěn)定，因而可能是生命活動的跡象？

“雙子座行星成像儀”

要想探尋諸如此類問題的答案，科學(xué)家能夠使用的唯一可靠工具就是光譜學(xué)：運(yùn)用光譜學(xué)，科學(xué)家能分析直接來自行星表面的光線的波長，或者穿過行星大氣層的光線的波長。每種元素或分子通過光譜攝像儀都會產(chǎn)生一個(gè)特殊的“線條”模式——光發(fā)射造成的尖峰，或在已知波長的光吸收造成的驟降。這樣一來，通過觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)天體的光譜線，科學(xué)家就能解讀這個(gè)天體上有什么物質(zhì)。

但光譜學(xué)通常要求能清楚看見物體，這對系外行星來說幾乎不可能。通常，我們是看不見系外行星的。不過，當(dāng)一顆系外行星正面經(jīng)過其所環(huán)繞的母恒星（太陽就是地球的母恒星）時(shí)，母恒星亮度會極小程度地降低，這就暗示了系外行星的存在。另外，雖然系外行星不可見，但其引力會造成其母恒星很輕微地前后搖晃，而這種搖晃也揭示了系外行星的存在。科學(xué)家經(jīng)常說，要想探索系外行星，就好比是凝視一盞探照燈（恒星），并且試圖發(fā)現(xiàn)一只在探照燈附近飛的螢火蟲。

然而，在觀測系外行星方面，科學(xué)家近年來已有一些進(jìn)展。當(dāng)系外行星正面經(jīng)過其母恒星時(shí)，一些科學(xué)家提取了穿透系外行星大氣層的光線的光譜。這相當(dāng)于當(dāng)一只螢火蟲掠過探照燈的光柱時(shí)，測量螢火蟲的翅膀顏色。另一些科學(xué)家則想法阻擋母恒星的光線，從而得以看見位于遙遠(yuǎn)軌道中的系外行星，直接記錄它們的光譜。

過去3年中，科學(xué)家開始記錄來自新一代定制天文觀測儀的光譜。位于智利帕切翁山頂峰的南雙子座望遠(yuǎn)鏡（直徑8.1米）的“雙子座行星成像儀”，就是一臺新一代定制天文觀測儀。正在研發(fā)的多部太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡，都把系外行星光譜作為首選探測目標(biāo)。而科學(xué)家更渴望的是美國宇航局的“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”（簡稱JWST），它將于2018年發(fā)射，屆時(shí)它將以前所未有的光采集能力和靈敏度實(shí)施探測。

“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”

對于那些希望深入了解系外行星的科學(xué)家來說，目前正是時(shí)候。美國斯巴魯望遠(yuǎn)鏡（位于美國夏威夷島死火山莫納克亞山上）項(xiàng)目科學(xué)家?guī)炖镎f：“我們正處在一個(gè)時(shí)代的開端，那就是深入探索太陽系以外的行星世界。這是天文學(xué)的又一場新革命?！?