開普勒太空望遠鏡

　　2013年6月26日消息，一組天文學家利用歐洲南方天文臺的高精度徑向速度行星搜索器的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)格里斯667C有三顆超級地球位于適宜生命居住區(qū)域（想象圖）。格里斯667C距離地球22光年，質(zhì)量為太陽的三分之一。CFP/圖

　　新聞背景

　　近一段時間，關于發(fā)現(xiàn)太陽系外行星的消息不絕于耳。比如，美國科學家發(fā)現(xiàn)一顆名為“開普勒78b”的多巖炙熱行星，距地球700光年，體積只有地球的1.2倍，質(zhì)量只有地球的1.7倍，與地球驚人相似；又有德國天文學家宣布，發(fā)現(xiàn)類似太陽系“家族”的行星系，距離地球約2500光年，共有7顆行星環(huán)繞母星ＫＯＩ－351運轉，是迄今發(fā)現(xiàn)的行星最多的太陽系外行星系。

　　然而，不知讀者朋友是否想過，距離遙遠且自身并不發(fā)光的系外行星，是如何被地球上的人類發(fā)現(xiàn)的呢？

　　與恒星相比，行星實在是太黯淡了。一般而言，行星在可見光波段的光度只相當于其母恒星的百萬分之一，甚至更少，而且行星的光亮通常都會消失在恒星耀眼的輝光中。利用現(xiàn)階段的觀測工具，很難直接獲得行星的可見光影像。因此，發(fā)現(xiàn)太陽系外行星，確實是一件非常困難的事情。

　　21年前發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星

　　2013年10月25日的統(tǒng)計數(shù)據(jù)告訴我們，人類已經(jīng)在782個行星系統(tǒng)中探測到1028顆行星，其中有170顆屬于多行星系統(tǒng)（即有多顆行星圍繞同一顆母恒星公轉，我們的太陽系就是一個多行星系統(tǒng)）。

　　相比于浩如煙海的恒星數(shù)量來說，1000多顆的系外行星數(shù)量實在少得可憐。然而這其實已經(jīng)是很大的進步。要知道，人類確認第一顆太陽系外行星僅僅是21年前的事。

　　1992年4月21日，兩位射電天文學家亞歷克山大·沃斯贊和達爾·福萊爾宣布發(fā)現(xiàn)兩顆圍繞脈沖星 PSR 1257+12運行的行星。這是得到公認的人類觀測到的第一個太陽系外行星系統(tǒng)。而三年后，即1995年的10月6日，瑞士日內(nèi)瓦大學的兩位天文學家米歇爾·邁耶和戴帝俄·奎羅茲在飛馬座一顆G型恒星（51 Pegasi）附近發(fā)現(xiàn)的行星，則是第一顆被確認的圍繞主序星運行的太陽系外行星。這項在上普羅旺斯天文臺完成的石破天驚的發(fā)現(xiàn)，開啟了人類探測太陽系外行星的新篇章。

　　要想直接觀測到行星，最有效的辦法是擋住母恒星的光亮，但目前人類的觀測技術還很難做到。所有號稱擁有“劇照”的行星圖像其實都是在紅外波段拍攝的，它們都是個頭很大遠離母恒星的“超級木星”。因為在紅外波段，這些高溫行星輻射出比在光學波段多得多的輻射，因此獲得它們紅外波段的圖像相對容易。顯然在不久的將來，隨著觀測技術水平的迅猛提升，我們一定能夠在光學波段對越來越多的行星進行直接成像觀測，但就今天而言，最有成效的太陽系行星搜索，都是利用間接方法完成的。

　　古老的多普勒效應開出新花朵

　　米歇爾·邁耶和戴帝俄·奎羅茲開創(chuàng)歷史的發(fā)現(xiàn)，是應用了這種原理：隨著觀測技術，特別是恒星光譜分辨率的大幅度提高，天文學家可以測量行星通過引力作用對其母恒星運動產(chǎn)生的影響，間接推測出行星的存在。這就是所謂視向速度或多普勒法，這種方法目前仍然是采用最多、成果最豐碩的發(fā)現(xiàn)系外行星的方法。

　　在行星繞母恒星公轉的同時，母恒星也會繞著恒星－行星系統(tǒng)的質(zhì)心運動，如果某顆恒星在視線方向（朝向或遠離地球的方向）的運動發(fā)生變化（很有可能是由于它的附近有行星存在），就會體現(xiàn)在它的光譜上，也就是我們熟知的多普勒效應。當光源遠離我們運動時，譜線會向光譜的紅端移動，我們稱為紅移，相反，如果光源朝向我們運動，譜線會發(fā)生藍移。

　　目前的觀測技術可以檢驗出恒星低至每秒1米的視向速度變化。這種探測方法有一個無與倫比的優(yōu)點，它對恒星本身的性質(zhì)沒有過多要求，基本上任何類型的恒星都可以用這種辦法來檢測是否有圍繞其運行的行星存在。

　　視向速度法最大的缺陷之一是無法確定行星的真實質(zhì)量，但如果可以通過其他方法確定母恒星的質(zhì)量，就能夠推斷出行星的真實質(zhì)量。

　　凌星法依據(jù)的原理更加簡單直觀

　　在多普勒方法之外，另一種常被采用的發(fā)現(xiàn)系外行星的方法是所謂凌星法。它依據(jù)的原理其實更為簡單。

　　與我們熟悉的日食和月食原理一樣，當母恒星的行星剛好從它和地球之間經(jīng)過時，行星就會遮擋住一部分來自背后母恒星的光芒，在地球上會觀測到母恒星的亮度有所下降，亮度下降多少主要與恒星和行星的尺寸有關。通過測量恒星的亮度變化，能夠推斷出行星的存在，同時得到行星大小的信息。

　　但凌星法經(jīng)常受到其他因素的干擾，所以特別需要用獨立的方法加以驗證。而額外的好處是因為采取了測光觀測，有時能夠獲得行星大氣的信息，這就跟我們在地球上觀測金星凌日時一樣。

　　凌星法在諸多搜尋太陽系外行星的方法中，僅次于視向速度法，在過去的二十年間發(fā)現(xiàn)了很多系外行星。

　　而對于多行星系統(tǒng)來說，凌星時變法是非常有效的找到或確認行星存在的辦法。因為每顆行星都會對其他行星的軌道產(chǎn)生微小的擾動，當其中一顆行星凌星的時間發(fā)生微弱的變化時，就意味著可能它的軌道受到其他未知行星的擾動，而擾動行星本身可能并沒有發(fā)生在地球上可以觀測到的凌星現(xiàn)象。

　　此外，天文學家們還會用凌星持續(xù)時間變化法、微引力透鏡法、天體測量法、脈沖時變法、變星時變法、相對論光束法、偏振法等辦法來尋找太陽系外行星，但最常用、搜尋效果最好的，還是看起來原理更加簡單的視向速度法和凌星法。

　　但不論是采用哪種方法，依賴的基礎還是人類天文觀測的精度大大提高了。特別是2009年3月發(fā)射的，專門用于探測系外行星的開普勒太空望遠鏡，為人類關于太陽系外行星的認識立下了汗馬功勞。

　　延伸閱讀

　　宜居行星仍是鳳毛麟角

　　我們在宇宙中真的是孤獨的嗎？除了地球，浩瀚宇宙中難道真的沒有另一個能夠承載人類的星球嗎？人類尋找太陽系外行星，其實最原始的動力就是尋找我們?nèi)祟惖幕锇椤?/P>

　　單從數(shù)量上看，1028顆太陽系外行星即使算不得數(shù)目龐大，也可謂振奮人心。但別高興得太早！這1028顆行星，大多數(shù)是所謂的“類木行星”，就是與我們太陽系的木星相似的大塊頭氣態(tài)行星，其中很多距離母恒星非常近，是一片火海煉獄。

　　科學家提出了“宜居行星”、“類地行星”的概念。所謂宜居行星，是指那些距離母恒星既不太遠也不太近，剛好能夠讓液態(tài)水存在，擁有與地球類似環(huán)境的行星。這樣特殊的行星在已發(fā)現(xiàn)的1000多顆系外行星中可謂鳳毛麟角。最有希望的是2010年發(fā)現(xiàn)的編號為格里斯581g（Gliese 581g）的行星。它剛好位于其母恒星格里斯581的宜居帶中間，是一顆與地球類似的巖質(zhì)行星（區(qū)別于木星那樣的氣態(tài)行星）。但格里斯581g“最像地球的系外行星”的稱號遭到了很多天文學家的質(zhì)疑，因此它是否能穩(wěn)坐“最宜居”的第一把交椅我們還要拭目以待。

　　其他頻頻出鏡的“超級地球”有開普勒22b，第一顆位于類太陽恒星宜居帶的“超級地球”；格里斯163c，質(zhì)量大約為地球的7倍，比地球溫度高，位于母恒星格里斯163的宜居帶中。

　　2013年是系外行星探測大豐收的一年，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三顆可能擁有海洋的超級地球，開普勒62e、開普勒62f和開普勒69c。最激動人心的事就發(fā)生在4個多月前，2013年6月，天文學家在我們附近的M型恒星格里斯667C內(nèi)一下子發(fā)現(xiàn)了三顆宜居行星，分別是格里斯667Cc、格里斯667Ce和格里斯667Cf，創(chuàng)造了在單顆恒星周圍發(fā)現(xiàn)宜居行星數(shù)量的新紀錄。（作者為北京天文館副館長）