梁炳鑫

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空之后沒(méi)幾個(gè)月，系統(tǒng)還處在適應(yīng)摸索的階段，一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)，發(fā)現(xiàn)的閘門(mén)突然打開(kāi)：望遠(yuǎn)鏡第一次觀測(cè)到了太陽(yáng)系外與地球大小類(lèi)似的一顆巖質(zhì)行星。

這顆系外行星被稱(chēng)為開(kāi)普勒10b，具有高溫、質(zhì)量大的特點(diǎn)，它的出現(xiàn)揭開(kāi)了系外行星發(fā)現(xiàn)的狂潮。在之后短短20年內(nèi)，我們從屈指可數(shù)的幾顆確證的系外行星，到今天已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3300多顆。此外，還有數(shù)千顆由開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的候選行星等待確認(rèn)。

“試運(yùn)行時(shí)我們就檢測(cè)到了可能來(lái)自540光年外圍繞另一顆恒星旋轉(zhuǎn)的小型行星的信號(hào)?！遍_(kāi)普勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)的天體物理學(xué)家娜塔莉·巴塔拉在談到這個(gè)于2011年對(duì)外公布的發(fā)現(xiàn)時(shí)說(shuō)，“那時(shí)候我們第一次意識(shí)到，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)很多這類(lèi)星球，會(huì)發(fā)現(xiàn)很多和地球差不多大小的行星?！?/p>

自1995年確認(rèn)發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞類(lèi)日恒星公轉(zhuǎn)的系外行星以來(lái)，迄今科學(xué)家只調(diào)查了為數(shù)不多的銀河系切面。即便如此，他們還是找到了許多系外行星聚集地帶。最新的統(tǒng)計(jì)學(xué)研究估計(jì)，在銀河系中，平均每顆恒星都擁有至少一顆行星。這意味著僅僅在銀河系內(nèi)部，行星的數(shù)量就達(dá)到了萬(wàn)億級(jí)，其中許多都和地球差不多大小。

“現(xiàn)在我們確切知道小型行星是十分常見(jiàn)的，這在歷史上是首次。”系外行星研究先驅(qū)、麻省理工學(xué)院的薩拉·西格教授說(shuō)，“這意義非凡。如果沒(méi)有開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡，我們就無(wú)法獲取這一信息，而只能隨口說(shuō)行星無(wú)處不在。”

熾熱的木星和搖擺的太陽(yáng)

1995年發(fā)現(xiàn)的系外行星是一顆地表溫度很高的大型氣態(tài)行星，大小估計(jì)是木星的1/2。它緊緊圍繞著自己的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道周期只有4天，導(dǎo)致的恒星搖擺明顯到可以被地球上的望遠(yuǎn)鏡捕捉到——只要天文學(xué)家將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)它就可以。

發(fā)現(xiàn)飛馬座51b揭開(kāi)了行星探測(cè)經(jīng)典時(shí)期的序幕。早期使用恒星搖擺追蹤技術(shù)，研究人員接連發(fā)現(xiàn)系外行星，其中許多行星都與木星類(lèi)似，同時(shí)具有地面高溫和軌道周期短的特點(diǎn)。

搖擺法測(cè)定的是恒星的徑向速度。恒星光線(xiàn)的波長(zhǎng)隨著旋轉(zhuǎn)時(shí)離地球距離的細(xì)微變化不斷受到交替的壓縮和拉伸，這是由圍繞它旋轉(zhuǎn)的行星產(chǎn)生的引力拖拽造成的。

1995年，歐洲團(tuán)隊(duì)的米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澗褪怯眠@種方法發(fā)現(xiàn)了飛馬座51b，引發(fā)了一場(chǎng)尋找系外行星的競(jìng)賽。

在隨后的時(shí)間里，發(fā)現(xiàn)的系外行星從幾十顆逐漸增長(zhǎng)到幾百顆。

確證了飛馬座51b的存在后，保羅·巴特勒和杰夫·馬爾西帶領(lǐng)的舊金山州立大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)重新查閱了他們收集的徑向速度觀測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)天文學(xué)界都沒(méi)有料到，恒星周?chē)慕嚯x軌道上會(huì)存在大型行星。1996年，他們宣布發(fā)現(xiàn)兩顆可信度較高的系外行星：處女座70和大熊座47。處女座70的軌道周期是116天，大熊座47的軌道周期是2.5年，而且它們所處的遙遠(yuǎn)的恒星系統(tǒng)與太陽(yáng)系十分相似。這些發(fā)現(xiàn)打消了其他天文學(xué)家的疑慮。

巴特勒和馬爾西的團(tuán)隊(duì)在接下來(lái)的10年中發(fā)現(xiàn)了首批公布的100顆系外行星中的至少70顆，成為明星團(tuán)隊(duì)。許多基于地面觀測(cè)的科研項(xiàng)目也加入了這場(chǎng)搜尋，將系外行星的數(shù)量增加到幾百顆。

然后，新型望遠(yuǎn)鏡和新的行星探測(cè)方法搶走了他們的風(fēng)頭。

凝望太空

2009年，美國(guó)航空航天局的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，開(kāi)啟了行星探測(cè)的新時(shí)代。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入了由地球拖拽的繞太陽(yáng)運(yùn)行軌道，然后將鏡頭對(duì)準(zhǔn)了一小片天空，一觀測(cè)就是4年。

這一小片天空包含了大約15萬(wàn)顆恒星。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡捕捉的是恒星亮度的微弱變化，這種亮度變化是由行星從恒星前方通過(guò)時(shí)造成的。目前開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果是：有3300多顆系外行星得到確認(rèn)，其中2000多顆行星已經(jīng)從觀測(cè)數(shù)據(jù)中過(guò)濾出來(lái)，另外還有2400多顆候選行星等待確認(rèn)。

開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目在20世紀(jì)90年代經(jīng)歷了質(zhì)疑。由美國(guó)航空航天局艾姆斯研究中心的威廉·博魯茨基提議的設(shè)計(jì)四次遭到美國(guó)航空航天局的否決，直到2001年，博魯茨基的設(shè)計(jì)終于獲得了批準(zhǔn)。

他的設(shè)計(jì)理念被證明是正確的。開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在最初4年中獲得的觀測(cè)數(shù)據(jù)仍然在不斷揭示新行星。但在2013年，它的初次任務(wù)不得不因?yàn)榉戳喪ФK止。

為了解決這一問(wèn)題，開(kāi)普勒科學(xué)團(tuán)隊(duì)想到了一種聰明的方法：利用陽(yáng)光產(chǎn)生的壓力來(lái)穩(wěn)定望遠(yuǎn)鏡的一條軸。同時(shí)，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡被改名為“K2”，繼續(xù)行星探測(cè)之旅，雖然這一次的觀測(cè)時(shí)間與4年相比縮短了很多。

其他地面和太空的觀測(cè)設(shè)備也在繼續(xù)著對(duì)系外行星的搜索。歐洲的CoRoT衛(wèi)星先于開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡投入運(yùn)行，2006年至2012年，它同樣利用凌星法找到了許多系外行星。

哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不僅發(fā)現(xiàn)了許多凌星的系外行星，還對(duì)其中一部分行星的大氣層進(jìn)行了分析。行星發(fā)生凌星現(xiàn)象時(shí)，恒星光線(xiàn)會(huì)有一部分被行星大氣層折射。大氣層中的氣體和化學(xué)物質(zhì)會(huì)吸收不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)。通過(guò)尋找恒星光譜中缺失的部分，科學(xué)家就可以得知系外行星大氣層的化學(xué)組成。

另一臺(tái)觀測(cè)設(shè)備，美國(guó)航空航天局的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡，在紅外光區(qū)觀測(cè)系外行星的凌星現(xiàn)象，并借此幫助分析測(cè)定系外行星大氣層中的許多難解之謎。

斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡通常和地面望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作，其中就包括智利拉斯坎帕納斯天文臺(tái)的OGLE華沙望遠(yuǎn)鏡。2015年，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡與意大利位于加納利群島的3.6米口徑伽利略望遠(yuǎn)鏡合作，找到了已知最近的巖質(zhì)行星HD219134b，距離地球只有21光年。然而遺憾的是，這顆行星的

軌道距離它的恒星太近，不適合生命生存。

迄今觀測(cè)到的數(shù)千顆系外行星里，很多是使用例如凌星法和測(cè)量恒星搖擺的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)的。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入行星探測(cè)的全新時(shí)代：直接顯像。

嗨，系外行星，說(shuō)“茄子”！

天文學(xué)家認(rèn)為，系外行星探測(cè)的未來(lái)完全是直接顯像的天下。計(jì)劃于2018年發(fā)射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡，以及仍在設(shè)計(jì)建造中的大視場(chǎng)紅外巡天望遠(yuǎn)鏡，會(huì)極大拓展我們捕捉遙遠(yuǎn)行星實(shí)際圖像的能力，圖像分辨率也會(huì)提高。

這些新技術(shù)會(huì)提升太空觀測(cè)能力，讓我們能夠捕捉到體積更小的系外行星的圖像。例如，大視場(chǎng)紅外巡天項(xiàng)目會(huì)使用內(nèi)置的日冕儀選擇性地遮擋和處理入射的恒星光線(xiàn)，找出被淹沒(méi)在恒星耀眼光線(xiàn)中的行星。

與此類(lèi)似，空間望遠(yuǎn)鏡可以使用叫作“遮星板”的外部設(shè)備，該設(shè)備正在由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)。遮星板在太空中展開(kāi)后是向日葵形，具有棒球場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)大小?？臻g望遠(yuǎn)鏡從上萬(wàn)千米之外指向遮星板，就可以過(guò)濾掉恒星發(fā)出的多余光線(xiàn)，捕捉圍繞該目標(biāo)恒星公轉(zhuǎn)的行星圖像。

在接下來(lái)的幾十年中，隨著空間望遠(yuǎn)鏡體積變大和功能增強(qiáng)，或許我們最終能夠捕捉到另一顆地球的標(biāo)志性圖像——一個(gè)由大陸、云層和海洋構(gòu)成的遙遠(yuǎn)世界。

但是，到底什么才是地球的本質(zhì)性特征？我們到底應(yīng)該望向哪里，才能找到一個(gè)與它相同的宜居星球呢？