文/ 葉楠

系外行星發(fā)現(xiàn)方法

21世紀(jì)前十年，視向速度法（亦稱徑向速度法）還是發(fā)現(xiàn)系外行星的主要方式。隨著開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的升空，凌星法逐漸主宰了21世紀(jì)第二個(gè)十年的系外行星發(fā)現(xiàn)。如今已經(jīng)進(jìn)入了21世紀(jì)第三個(gè)十年，又會(huì)出現(xiàn)哪些新的方法幫助我們尋找第二個(gè)地球呢？讓我們先來(lái)回顧一下過(guò)去已經(jīng)被實(shí)踐驗(yàn)證過(guò)的系外行星發(fā)現(xiàn)方法。

直接成像法

直接成像法是人類唯一的能夠直接發(fā)現(xiàn)系外行星的方法。由于宇宙空間的廣袤，恒星之間距離的遙遠(yuǎn)，再加上行星本身并不發(fā)光，暗弱的行星通常會(huì)湮沒(méi)在母恒星的光芒下。綜合這兩個(gè)原因，我們想直接拍攝到系外行星的身影是一件異常困難的事情。即使世界上口徑最大的望遠(yuǎn)鏡也只有在特殊的條件下才能觀測(cè)到個(gè)別系外行星。例如位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡于2004年7月捕捉到系外行星2M1207b的影像，這是人類歷史上首次拍攝到系外行星的圖像。2M1207b的質(zhì)量是木星的5倍，公轉(zhuǎn)軌道半徑是海王星到太陽(yáng)距離的2倍，距離地球約170光年。圖為2M1207b與母恒星的合成照片。

HR 8799系外行星系統(tǒng)

HR 8799是一顆年齡只有3000萬(wàn)年的年輕恒星，距離我們約133光年，位于飛馬座方向，它的質(zhì)量是太陽(yáng)的1.5倍，光度是太陽(yáng)的4.9倍。2008年底，天文學(xué)家利用位于夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡和北雙子望遠(yuǎn)鏡直接觀測(cè)到了3顆圍繞HR 8799公轉(zhuǎn)的系外行星，分別用小寫(xiě)字母b、c、d表示。3顆系外行星的公轉(zhuǎn)軌道半徑分別相當(dāng)于土星、天王星和海王星相對(duì)太陽(yáng)軌道半徑的2至2.5倍。它們的質(zhì)量大約在5至10倍木星質(zhì)量之間，接近行星質(zhì)量的上限。如果質(zhì)量超過(guò)13倍木星質(zhì)量，在引力的作用下就足以引燃核心的核聚變而成為一顆恒星。這是人類首次通過(guò)直接成像法發(fā)現(xiàn)多顆系外行星。2010年，天文學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了這個(gè)系統(tǒng)的第4顆系外行星HR 8799e。圖為HR 8799系外行星系統(tǒng)，位于中心的恒星被日冕儀遮擋。

視向速度法

視向速度法是通過(guò)用光譜測(cè)量譜線的紅移和藍(lán)移確定系外行星相對(duì)母恒星的運(yùn)動(dòng)來(lái)尋找系外行星的。第一期中我們?cè)鴮?duì)視向速度法的原理有過(guò)介紹。分光光譜從發(fā)現(xiàn)開(kāi)始在天文學(xué)上一直有著極其廣泛的應(yīng)用，幾乎所有大型天文臺(tái)都配備有光譜終端設(shè)備。例如凱克望遠(yuǎn)鏡配備的HIRES終端可以探測(cè)到等效小于每秒3米相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的光譜變化。不過(guò)光譜測(cè)量需要很高的信噪比，對(duì)于地球大小的系外行星，視向速度法的探測(cè)范圍大約在160光年。而對(duì)于木星質(zhì)量的系外行星，探測(cè)范圍可以擴(kuò)大到1000光年。圖為視向速度法示意圖。

天體測(cè)量法

天體測(cè)量法是搜尋系外行星最古老的方法之一，它通過(guò)監(jiān)測(cè)系外行星對(duì)母恒星的引力作用所產(chǎn)生的位置變化來(lái)尋找系外行星。第一期我們介紹過(guò)的對(duì)蛇夫座70的探測(cè)就是這一方法的實(shí)際應(yīng)用。遺憾的是蛇夫座70那顆看不見(jiàn)的伴星最終通過(guò)視向速度法確認(rèn)并不是一顆行星。直到2010年，天文學(xué)家才首次通過(guò)天體測(cè)量法在HD 176051中發(fā)現(xiàn)了一顆質(zhì)量為1.5倍木星質(zhì)量、軌道周期約1016天的系外行星HD 176051b。至2023年1月底，利用天體測(cè)量法發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量只有20顆。雖然天體測(cè)量法并不是系外行星發(fā)現(xiàn)的主力，但未來(lái)通過(guò)與空間巡天望遠(yuǎn)鏡的大數(shù)據(jù)相結(jié)合，在尋找長(zhǎng)周期大質(zhì)量系外行星方面依舊有著頑強(qiáng)的生命力。圖為HD 176051b。

凌星測(cè)光法

當(dāng)系外行星公轉(zhuǎn)軌道平面與我們的視線方向平行時(shí)，能夠觀測(cè)到由于行星遮擋而造成的恒星亮度下降現(xiàn)象，利用這種方法搜尋系外行星稱為凌星測(cè)光法。圖為凌星法示意圖，當(dāng)行星從母恒星前面凌過(guò)時(shí)，可以觀測(cè)到恒星亮度降低。這種方法來(lái)自于之前對(duì)食雙星的研究。不過(guò)由于行星本身并不發(fā)光，體積和質(zhì)量與母恒星相比也要小得多，當(dāng)發(fā)生掩星時(shí)亮度變化比起食雙星要小得多。例如HD 209458b發(fā)生凌星時(shí)，母恒星亮度下降只有1.7%。這種方法對(duì)于測(cè)光精度要求較高，而體積較大的氣態(tài)行星能夠遮擋恒星更大的面積，所以利用凌星法更容易發(fā)現(xiàn)大體積系外行星。

計(jì)時(shí)法

由于系外行星非常暗弱，因此對(duì)它的直接觀測(cè)十分困難。但是對(duì)于具有周期性變化的各類天體，我們的探測(cè)器能夠精確的測(cè)定它們的時(shí)間變化，通過(guò)對(duì)不同天體的周期變化進(jìn)行測(cè)定從而發(fā)現(xiàn)系外行星被稱為計(jì)時(shí)法。人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星PSR 1257+12b就是利用脈沖星計(jì)時(shí)法，由于系外行星的存在引發(fā)了這顆母恒星為脈沖星的脈沖周期變化，從而確認(rèn)系外行星的存在。同樣的，圍繞食雙星公轉(zhuǎn)的系外行星也會(huì)影響食雙星之間的相互掩食周期，被稱為食雙星計(jì)時(shí)法，例如開(kāi)普勒16b就是這樣一顆同時(shí)圍繞兩顆恒星公轉(zhuǎn)的系外行星（如圖所示）。而對(duì)于具有多顆系外行星的恒星系統(tǒng)，行星之間也會(huì)互相影響各自的公轉(zhuǎn)周期，這種方法被稱為凌星計(jì)時(shí)法。對(duì)于一些擁有系外行星的脈動(dòng)變星，行星的引力也會(huì)引起脈動(dòng)周期的變化，被稱為脈動(dòng)周期計(jì)時(shí)法。

微引力透鏡法

1991年，天文學(xué)家毛淑德和帕欽斯基首次提出利用微引力透鏡來(lái)搜尋系外行星的方法。當(dāng)行星與恒星之間距離與愛(ài)因斯坦環(huán)半徑相當(dāng)時(shí)，整個(gè)行星系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生引力透鏡現(xiàn)象，使得遙遠(yuǎn)源恒星的光發(fā)生偏折。由于行星系統(tǒng)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于黑洞或星系級(jí)別，所以這類現(xiàn)象被稱為微引力透鏡。而且由于偏折角度太小，實(shí)際觀測(cè)時(shí)我們極難發(fā)現(xiàn)源恒星的位置變化，但是當(dāng)微引力透鏡現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，源恒星的光會(huì)由于微引力透鏡作用“繞過(guò)”前景恒星被我們觀測(cè)到，使得目標(biāo)恒星的亮度發(fā)生小幅上升。圖為微引力透鏡法的原理示意圖。

截至2023年1月20日，人類利用不同方法共確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量達(dá)到5241顆，其中凌星法發(fā)現(xiàn)近4000顆，占總發(fā)現(xiàn)數(shù)量的75%；視向速度法發(fā)現(xiàn)超過(guò)1000顆，占總數(shù)的近20%；微引力透鏡法發(fā)現(xiàn)比例2.9%，排名第三；直接成像法發(fā)現(xiàn)比例1.2%，排名第四；其他方法合計(jì)發(fā)現(xiàn)占總數(shù)的1.2%。凌星法之所以在新世紀(jì)第二個(gè)十年中異軍突起，成為了發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的方法，主要得益于開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡。下期我們將介紹開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡在系外行星發(fā)現(xiàn)歷程中所做出的的卓越貢獻(xiàn)。

軌道亮度調(diào)制法

當(dāng)一顆系外行星公轉(zhuǎn)軌道半徑極小時(shí)，一方面它接受到母恒星的輻射更多，另一方面由于視向速度的影響，有可能出現(xiàn)在未發(fā)生掩食的情況下使得母恒星的亮度增加或下降的現(xiàn)象。利用這種現(xiàn)象進(jìn)行系外行星探測(cè)被稱為軌道亮度調(diào)制法。這種方法需要極高精度的亮度測(cè)量才有可能發(fā)現(xiàn)，所以只有當(dāng)開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡升空以后，人類才第一次利用這種方法發(fā)現(xiàn)系外行星。圖為用軌道亮度調(diào)制法發(fā)現(xiàn)的系外行星開(kāi)普勒76b圍繞其母星運(yùn)行的情景。

行星盤(pán)運(yùn)動(dòng)法

根據(jù)現(xiàn)有行星形成理論，天文學(xué)家認(rèn)為系外行星是依靠不斷吸積原行星盤(pán)中的塵埃物質(zhì)而逐漸形成的。通過(guò)亞毫米波觀測(cè)可以探測(cè)到行星盤(pán)中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，例如位于智利北部沙漠中的阿塔卡瑪大型毫米波/亞毫米波陣列（簡(jiǎn)稱ALMA）正在開(kāi)展類似課題的觀測(cè)。2019年，ALMA發(fā)現(xiàn)在恒星HD 97048附近130天文單位處的塵埃盤(pán)有一片空隙。天文學(xué)家認(rèn)為塵埃的缺失以及氣體的流動(dòng)方式都預(yù)示著這里有一顆系外行星的存在。后經(jīng)確認(rèn)HD 97048b是一顆巨大的氣態(tài)行星，質(zhì)量是木星的2.5倍，半徑是木星的1.18倍，軌道周期957年。