太陽系外的行星不好找

陳育和

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在30年前，人類尚不知道太陽系外還有沒有行星存在。直到1991年，天文學(xué)家才檢測到一個圍繞著脈沖星旋轉(zhuǎn)的行星。4年后，又有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞著一顆類似太陽的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的行星，將其命名為飛馬座51b。

如今，已有800顆太陽系外行星被發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)，還有約2000顆行星有待仔細(xì)辨認(rèn)和確定。天文學(xué)家約翰·約翰遜和喬納森·斯瑞福特認(rèn)為，整個銀河系中的大部分恒星都有至少一顆行星圍繞，整個銀河系有大約1000億顆行星。通過對太陽系外行星的研究，我們可以了解行星體系的形成和演化，尋找外星生命。

科學(xué)家最先發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星都是類似木星的巨大的氣態(tài)行星，上面不可能有生命存在。后來，隨著太空研究和空間觀測技術(shù)的進(jìn)步，我們開始發(fā)現(xiàn)更多較小的行星，很多只有地球2倍至6倍大小的系外行星也被發(fā)現(xiàn)了。不過天文學(xué)家最想找的是體積和地球差不多、處于它們圍繞的恒星的適當(dāng)位置，即宜居區(qū)，有適宜生命存在的最基本條件的行星。

2013年，開普勒太空天文望遠(yuǎn)鏡在天琴座發(fā)現(xiàn)了兩顆類地行星，一顆體積是地球的40%，另一顆是地球的60%，但它們距地球有1200光年，目前還沒法對它們進(jìn)行深入研究。

美國航空航天局太陽系外行星科學(xué)研究所設(shè)在加利福尼亞理工學(xué)院，主要進(jìn)行太陽系外行星研究。一部分研究人員忙于搜尋行星，而另一些人，像行星天文學(xué)家希瑟·克奴森等人，則在研究這些行星的大氣層特征。

移動的目標(biāo)

2012年，約翰遜的研究小組發(fā)現(xiàn)了3顆圍繞一顆較小的、相當(dāng)昏暗的紅矮星KOI-961旋轉(zhuǎn)的行星，這是第一次在紅矮星周圍發(fā)現(xiàn)巖石小行星，也是目前發(fā)現(xiàn)的最小的太陽系外行星。

搜尋太陽系外行星最常用的方法是中天法，也叫凌日法。當(dāng)行星掠過恒星朝向地球的一面時，這顆恒星的亮度會有微弱下降。通過檢測其亮度下降幅度，可以推算出這顆行星和它繞行的恒星的體積比例。行星越大，阻擋的恒星光越多，恒星亮度下降就越大。所以，恒星越大，圍繞它運(yùn)行的小行星便越難被發(fā)現(xiàn)。

在該研究中心觀測的15萬顆左右的恒星中，紅矮星只占3%，它們位于距地球數(shù)百到數(shù)千光年之外的銀河系一角。天文學(xué)家認(rèn)為，在整個銀河系恒星中，紅矮星占70%。約翰遜認(rèn)為，在銀河系昏暗的紅矮星周圍，幾乎沒有潛在的生命棲息地。紅矮星不能滋養(yǎng)能產(chǎn)生生命的行星。

有兩個太陽的地方

長期進(jìn)行太陽系外行星研究的科學(xué)家斯蒂芬·科恩和博士后那塔利·西科爾一直著迷于另一種恒星系統(tǒng)，即聯(lián)星系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，有兩個或更多恒星相互圍繞旋轉(zhuǎn)，行星則圍繞這個聯(lián)星系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。他們通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，認(rèn)為這種聯(lián)星系統(tǒng)中存在宜居帶的可能性更高。

西科爾和科恩根據(jù)聯(lián)星體系中兩個恒星的質(zhì)量、亮度和它們之間的距離等數(shù)據(jù)，重新計(jì)算了已知的聯(lián)星系統(tǒng)內(nèi)的宜居帶，發(fā)現(xiàn)體積相近的恒星組成的聯(lián)星系統(tǒng)的宜居帶是花生狀的?？贫鹘⒘艘粋€龐大的太陽系外星系宜居帶數(shù)據(jù)庫，收集了已經(jīng)計(jì)算出的宜居帶資料。

目前，科恩主要用三種方法檢測太陽系外行星。第一種是微引力透鏡法，通過檢測系外星系的恒星引力造成的光線彎曲，繪制遙遠(yuǎn)的恒星的圖像。第二種就是前面提到的凌日法。第三種是徑向速度測試法，通過測量圍繞著恒星旋轉(zhuǎn)的行星所造成的恒星抖動，捕捉行星的存在信號?？贫魇俏ㄒ灰晃豢梢酝瑫r運(yùn)用這三種方法計(jì)算行星運(yùn)行軌道的人。

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4紅矮星KOI-961已知的3顆行星（上）和木星最大的4顆衛(wèi)星（下）比較

凌日法主要用來計(jì)算恒和行星的體積比例，徑向速度測試法主要用來測量行星的質(zhì)量。通過這些信息，可以計(jì)算出某個行這幅藝術(shù)構(gòu)想圖顯示銀河系內(nèi)的恒星有行星環(huán)繞是很普通的事。微引力透鏡星的平均密度，據(jù)此獲得這個行星的基本成分信息。收集該行星在其恒星背面抖動（次食）的數(shù)據(jù)，并以不同波長繪出圖像，便可初步繪制出該行星的大氣層圖譜。有了這種圖譜，就能嘗試算出該行星更詳細(xì)的成分構(gòu)成及其表面溫度。通過測量該行星凌日時的亮度，推算其大氣層吸收了恒星哪些波長的光。由于不同的分子會吸收不同波長的光，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出該行星更詳細(xì)的大氣構(gòu)成情況。

捕捉這些微弱的信號，主要依賴美國航空航天局的斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡?？伺退耐履壳罢谔綔y更大的行星?！拔蚁胫?，和木星大小相當(dāng)、表面溫度高達(dá)1000K的行星看起來是不是都一樣。這些行星的大氣層中諸如甲烷和水的含量一樣嗎？它們都有云嗎？”克努森說，“我們想了解更詳細(xì)的信息，而不只是‘巖石星球和‘巨大氣態(tài)星球的

簡單分類。”

直達(dá)路線

琳妮·希倫柏蘭德在用另外的方法檢測這些信息，她依靠的是名為“1640工程”的高清晰成像系統(tǒng)。“1640工程”是為帕洛瑪天文臺的霍爾望遠(yuǎn)鏡特別設(shè)計(jì)的，可以讓天文學(xué)家直接收集較近的太陽系外行星的廣闊光譜，不論這些行星距離自己圍繞的恒星是遠(yuǎn)還是近。

經(jīng)過10多年的開發(fā)研究，“1640工程”于2012年6月開始了它的觀測，并且很快就有了成果。至今為止，它已經(jīng)搜集到了4顆過去已知的圍繞恒星HR8799（這個恒星也出自飛馬座）旋轉(zhuǎn)的行星的光譜。這顆恒星地球129光年，它的4顆行星的體積是木星的5到10倍。

琳妮·希倫柏蘭德說：“在采集行星的光譜時，必須擋住恒星的強(qiáng)光。有些年輕的恒星，其亮度是圍繞其運(yùn)行的行星的100萬倍?！?/p>

該計(jì)劃的提出者是原美國自然科學(xué)史博物館的博士本·奧本海默。奧本海默為美國空軍研發(fā)了自動電光望遠(yuǎn)鏡。位于帕洛瑪?shù)难芯繖C(jī)構(gòu)拓展了奧本海默的設(shè)想，用霍爾天文望遠(yuǎn)鏡和精密的適應(yīng)性光學(xué)儀器系統(tǒng)，使地球大氣層對望遠(yuǎn)鏡的影響降到最低。美國噴氣動力實(shí)驗(yàn)室的工程師給霍爾天文望遠(yuǎn)鏡后端裝上了附加的計(jì)算機(jī)硬件，進(jìn)一步減弱了地球大氣層的干擾，并校正了折射和散射光誤差。在該儀器的中央，有一個日冕儀，以阻擋來自恒星的強(qiáng)光，還有一個光譜儀，經(jīng)過仔細(xì)處理，便可提取出行星天體的信號。再過幾年，“1640工程”將完成對200多個比太陽更熾熱的恒星系統(tǒng)的觀測，不過，能否找到更多的類地行星，就很難說了。

5紅矮星KOI-961的3顆行星及著名類地行星開普勒20e、開普勒20f與地球（右二）、火星（左一）的體積比較。endprint