圖解系外行星發(fā)現(xiàn)史（2）

文/ 葉楠

世紀(jì)之交的系外行星發(fā)現(xiàn)

飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著在其他恒星周圍也有行星的存在。不過飛馬座51b是一顆表面為氣態(tài)的行星，質(zhì)量大約是木星的一半。由于距離母恒星很近，軌道半徑只有不到800萬千米，相當(dāng)于日地距離的二十分之一。在這個(gè)距離下它的表面溫度高達(dá)1000℃。可以想象，這樣的條件下是不可能有類地球生命存在的。不過，飛馬座51b發(fā)現(xiàn)的意義在于證明了行星并不是只有太陽周圍才有的特產(chǎn)，在這個(gè)廣袤的銀河系中其他恒星周圍也是有行星存在的。同時(shí)，飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)也激勵(lì)了天文學(xué)家們進(jìn)一步探索系外行星的熱情，在后來的日子里，不斷有更加奇特，甚至是類似地球的系外行星慢慢被發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)第一顆雙星系統(tǒng)的系外行星

巨蟹座55是一個(gè)距離我們約40光年遠(yuǎn)的雙星系統(tǒng)，由一顆光譜型為K型的橙色恒星和一顆小一些的M型紅矮星組成。1996年，美國天文學(xué)家巴特勒和馬西利用視向速度法發(fā)現(xiàn)了這顆系外行星，這是歷史上發(fā)現(xiàn)的第四顆圍繞主序星公轉(zhuǎn)的系外行星，也是第一顆在雙星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的系外行星。不過，巨蟹座55b的公轉(zhuǎn)軌道比兩顆恒星之間的距離更近，也可以說它只圍繞其中一顆恒星公轉(zhuǎn)。巨蟹座55b同飛馬座51b類似都是表面高溫的類似木星的氣態(tài)巨行星。后續(xù)在這個(gè)雙星系統(tǒng)中又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了4顆系外行星。圖中深藍(lán)色的那顆為巨蟹座55b。

發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞紅矮星公轉(zhuǎn)的系外行星

格利澤近星星表是由德國天文學(xué)家格利澤于1957年發(fā)表的一個(gè)星表，收錄了近千顆距離地球在20秒差距（約65光年）內(nèi)的恒星，后續(xù)又逐漸將距離范圍擴(kuò)大到25秒差距。由于我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的系外行星大都也是距離較近恒星周圍的，所以后續(xù)可能會(huì)經(jīng)?？吹礁窭麧删幪柕奶祗w出現(xiàn)。格利澤876是一顆距離地球只有約15光年的紅矮星，1998年，天王學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞其公轉(zhuǎn)的系外行星格利澤876b，它可以說是一顆大號的木星，其質(zhì)量大約是木星的2倍，雖然它距離格利澤876只有0.22天文單位，但由于格利澤876輻射的熱量有限，因此格利澤876b的表面溫度只有約-79℃。圖為格利澤876b的藝術(shù)想象圖。

第一顆預(yù)測有水蒸氣的系外行星

HD 209458b是發(fā)現(xiàn)于1999年的一顆系外行星，同樣也是一顆表面熾熱的巨型氣態(tài)行星。這顆系外行星距離母恒星軌道半徑只有約700萬千米，相當(dāng)于水星軌道半徑的八分之一。距離恒星如此之近使得它的一年只相當(dāng)于地球上的3.5天，同時(shí)表面溫度高達(dá)1000℃以上。它還是第一顆既通過視向速度法也通過凌星法發(fā)現(xiàn)的系外行星，2005年，斯皮澤空間望遠(yuǎn)鏡甚至還直接接收到了它的紅外輻射。2007年，天文學(xué)家還根據(jù)模型推測在它的大氣中有水蒸氣的存在。圖為HD 209458b的藝術(shù)想象圖。

發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞紅巨星公轉(zhuǎn)的系外行星

天龍座ι是一顆年齡大約只有8億年的恒星，不過由于它的質(zhì)量大約是太陽的1.82倍，在恒星世界中質(zhì)量越大演化速度越快，它已經(jīng)演化到了主序階段末期，逐漸膨脹成一顆紅巨星。它的直徑約是太陽的12倍，表面溫度約4200℃，視星等3.3等，是一顆肉眼可見的恒星。2002年，在這顆巨星邊上發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星天龍座ιb，同它圍繞公轉(zhuǎn)的恒星類似，天龍座ιb也是一個(gè)大塊頭，它的質(zhì)量是木星的8.8倍。

發(fā)現(xiàn)第一顆圍繞主序星的類地行星

在巨蟹座55周圍的系外行星中，有一顆顯得與眾不同，它的個(gè)頭比其他幾顆更小，顏色也更黯淡，它就是距離巨蟹座55最近的那顆系外行星——巨蟹座55e，也被稱為“超級地球”。2004年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這顆直徑約是地球1.9倍，表面為固態(tài)的系外行星。它的公轉(zhuǎn)軌道半徑只有約230萬千米，公轉(zhuǎn)一周只相當(dāng)于地球上的17.7個(gè)小時(shí)。在它白天一側(cè)表面溫度高達(dá)2400℃以上，即使在夜晚一側(cè)也高達(dá)1300℃。雖然條件惡劣堪比地獄，但這是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆圍繞其他主序星公轉(zhuǎn)的類地行星。圖為藝術(shù)家描繪的巨蟹座55e上的日出。

另一顆超級地球

同巨蟹座55擁有多顆系外行星類似，天文學(xué)家在格利澤876周圍也發(fā)現(xiàn)了4顆系外行星，其中距離恒星最近、質(zhì)量最小的一顆是2005年發(fā)現(xiàn)的格利澤876d，它的質(zhì)量據(jù)估計(jì)是太陽的6.83倍。據(jù)推測，它曾經(jīng)很可能是一顆距離恒星較遠(yuǎn)的氣態(tài)行星，之后逐漸向恒星接近。在這個(gè)過程中行星表面的物質(zhì)被日冕物質(zhì)拋射吹走，慢慢演變成一顆具有大氣的固態(tài)行星。我們將這種質(zhì)量比地球更大的固態(tài)行星統(tǒng)稱為“超級地球”。當(dāng)然這個(gè)場景還只是猜測，尚需更多觀測數(shù)據(jù)證實(shí)。格利澤876d的軌道半徑只有310萬千米，不過由于它圍繞公轉(zhuǎn)的是一顆發(fā)光能力有限的紅矮星，所以行星表面溫度與巨蟹座55e相比要涼快很多，只有約600℃。圖為藝術(shù)家描繪的在格利澤876d表面看到的場景。

已知最寒冷的系外行星

OGLE-2005-BLG-390Lb是一顆位于銀心方向距離我們約21500光年遠(yuǎn)的系外行星，于2006年利用智利拉西亞天文臺(tái)的1.54米望遠(yuǎn)鏡通過微引力透鏡法發(fā)現(xiàn)的，它圍繞一顆質(zhì)量只有0.22倍太陽質(zhì)量的紅矮星公轉(zhuǎn)。由于這顆行星編號實(shí)在太長，通常我們稱它為“霍斯”，這個(gè)名字來自《星球大戰(zhàn)》中一顆完全被冰雪覆蓋的行星“霍斯”?！盎羲埂狈浅：洌砻鏈囟却蠹s只有-220℃，這使它成為已知最冷的天體之一。它的質(zhì)量大約是地球的5.5倍，公轉(zhuǎn)一周約需要3500天。圖為“霍斯”的藝術(shù)想象圖。

第一顆被證認(rèn)位于宜居帶內(nèi)的系外行星

格利澤581是一顆質(zhì)量只有太陽三分之一的紅矮星，是已知距離我們第89近的恒星，位于20光年外的天秤座方向。從2005年發(fā)現(xiàn)格利澤581b至今，在這顆紅矮星附近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多顆系外行星。圖為格利澤581系外行星系統(tǒng)和太陽系的對比圖像，可以看到，格利澤581的幾顆行星軌道半徑都比水星更接近恒星。字母b、c、d、e、g只是代表每顆系外行星的發(fā)現(xiàn)時(shí)間順序。格利澤581d是其中質(zhì)量最大的一顆。更重要的是，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)它位于格利澤581的宜居帶附近，也就是說它的表面有可能有液態(tài)水的存在。這顆“超級地球”如果真的有水，那距離尋找第二個(gè)地球的目標(biāo)似乎更近了一步。

宜居帶

宜居帶是指環(huán)繞恒星的部分軌道范圍，在這片區(qū)域中的類地行星表面溫度適宜，能夠維持液態(tài)水的存在。液態(tài)水對于地球生命的重要性不言而喻，所以在系外行星搜尋過程中定義了宜居帶這個(gè)概念，用來確定那些和地球有著類似空間環(huán)境的系外行星。這片區(qū)域的大小范圍也和恒星有著莫大的關(guān)系，如果恒星是一顆質(zhì)量比太陽更小的紅矮星，那么宜居帶的軌道半徑就要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于太陽附近的宜居帶軌道半徑。圖為格利澤581系外行星系統(tǒng)，其中格利澤581g位于宜居帶的中間位置，與地球在太陽系中宜居帶的位置相仿。但是關(guān)于這顆系外行星的發(fā)現(xiàn)仍然沒有得到最終的證實(shí)，還需要更多的觀測支持。

到2000年，人類共發(fā)現(xiàn)了32顆系外行星，其中28顆利用視向速度法發(fā)現(xiàn)，4顆利用脈沖星計(jì)時(shí)法發(fā)現(xiàn)。進(jìn)入新世紀(jì)后的前十年發(fā)現(xiàn)系外行星379顆。雖然視向速度法還是占據(jù)發(fā)現(xiàn)的主要地位，但凌星法逐漸后來居上，直接成像法、微引力透鏡法也開始逐漸嶄露頭角。新世紀(jì)第二個(gè)十年，系外行星的發(fā)現(xiàn)開始加速，截止到2022年底共發(fā)現(xiàn)系外行星5235顆。下期我們將介紹不同的系外行星發(fā)現(xiàn)方法及與之對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)系外行星的特點(diǎn)。