行星的蹤跡

科學(xué)家采用各種方法探測(cè)遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)系外行星的蹤跡。

極端行星

壓題的概念圖描繪了天文學(xué)家在1992年運(yùn)用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的一個(gè)太陽(yáng)系外的脈沖星系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，3顆行星環(huán)繞其主星——一顆被稱為“PSR B1257+12”的脈沖星運(yùn)行。脈沖星是迅速旋轉(zhuǎn)的中子星，是大質(zhì)量恒星爆發(fā)后坍縮的內(nèi)核。脈沖星在旋轉(zhuǎn)過程中不斷發(fā)出輻射，很像是燈塔的光柱。圖中，遙遠(yuǎn)的脈沖星的磁場(chǎng)由藍(lán)色光暈強(qiáng)化反映。所有3顆行星都在本圖中被描繪出來：距離主星最遠(yuǎn)的兩顆行星（圖中最大的兩顆行星）的大小和地球相仿。來自主星的帶電粒子很可能傾盆大雨般落在這兩顆行星上，導(dǎo)致行星的夜空燦爛生光，就好比地球上的北極光。

太陽(yáng)系以外的行星那么遙遠(yuǎn)，我們?cè)鯓硬拍苷业剿鼈兡兀繌牡厍蛏峡慈ィb遠(yuǎn)的太陽(yáng)系外行星在環(huán)繞其主是作軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)形式是周而復(fù)始的，或者說是周期性的。如果行星的軌道面向觀測(cè)者，行星運(yùn)動(dòng)軌跡將是一個(gè)橢圓。行星在橢圓形軌道上運(yùn)行時(shí)，觀測(cè)者能看到它的兩種運(yùn)動(dòng)，一種在視線方向上，一種在垂直視線的方向上，前者叫“視向運(yùn)動(dòng)”，后者叫“橫向運(yùn)動(dòng)”。不管哪一種運(yùn)動(dòng)都是周期性的，因此觀測(cè)兩種運(yùn)動(dòng)的任何一種都可以發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外的行星。

我們知道，當(dāng)拉響汽笛的警車從我們面前呼嘯而過時(shí)，我們一定會(huì)感覺到警車向我們走來和離我們而去時(shí)汽笛的聲音有明顯的不同：警車向我們走來時(shí)，音調(diào)升高，波長(zhǎng)變短，稱為藍(lán)移；警車離我們遠(yuǎn)去時(shí)，音調(diào)降低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，稱為紅移。這就是“多普勒效應(yīng)”。據(jù)此，只要測(cè)出主星的藍(lán)移或紅移，就能知道主星在我們視線方向上的擺動(dòng)情況。主星的擺動(dòng)是由圍繞它作軌道運(yùn)動(dòng)的行星引力造成的，因此只需觀察有沒有主星擺動(dòng)和擺動(dòng)大小，就能知道其周圍有沒有行星存在和行星質(zhì)量的大小。這種尋找行星的方法叫“徑向速度法”。由萬(wàn)有引力定律可知，行星離主星越近，引力越大，造成的擺動(dòng)也越大，“熱木星”之所以容易被發(fā)現(xiàn)，原因就在于它離主星最近，引起的擺動(dòng)最大。

使用“徑向速度法”尋找行星，除了需要行星有較大引力外，還有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)：利用這種方法測(cè)量一顆行星，至少需要觀測(cè)行星運(yùn)行一個(gè)周期，這樣，證實(shí)一顆距離主星1個(gè)天文單位的行星至少需要1年的時(shí)間，證實(shí)一顆距離主星5個(gè)天文單位(木星到太陽(yáng)的距離就是5個(gè)天文單位)的行星需要近12年的時(shí)間。顯然，這對(duì)于探測(cè)離主星較遠(yuǎn)的行星是不合適的。

為了克服“徑向速度法”的不足，“行星掩恒星”走到了前臺(tái)。“掩”是遮蓋的意思。“掩星”就像日食和月食那樣，是一個(gè)天體走到另一個(gè)天體前面，擋住另一個(gè)天體的部分光線，造成地球上的觀測(cè)者看到被擋天體的光度瞬時(shí)暗淡下來。太陽(yáng)系外行星擋住主星的部分光線，造成我們看到主星光度瞬時(shí)變暗，這種現(xiàn)象就叫做“行星掩恒星”。在行星掩恒星的過程中，只要觀測(cè)主星光度變暗的情況，就能發(fā)現(xiàn)有沒有行星環(huán)繞主星作軌道運(yùn)行。現(xiàn)在一些天文觀測(cè)小組為了用這種方法尋找太陽(yáng)系外行星，把望遠(yuǎn)鏡指向天空中恒星密集的星群，等候出現(xiàn)掩星。這種“守株待兔”的方法還很靈，利用它已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了7顆行星。

還有一種尋找行星的方法，叫“光學(xué)微透鏡法”。廣義相對(duì)論告訴我們，大質(zhì)量天體的引力能使遠(yuǎn)方天體的光線彎曲，就好像透鏡一樣，能將遠(yuǎn)方的星光放大。對(duì)于恒星-行星系統(tǒng)，恒星質(zhì)量比星系質(zhì)量小得多，透鏡效應(yīng)也小得多，所以稱為“微透鏡”。“光學(xué)微透鏡法”的工作原理是：當(dāng)一顆恒星在另一顆恒星前面穿過時(shí)，由于天體的引力作用，做“透鏡”的那一顆恒星可以放大另一顆恒星；如果做“透鏡”的那顆恒星周圍有一顆行星圍繞它作軌道運(yùn)動(dòng)，放大倍數(shù)就可能比較大。

科學(xué)家用這種方法研究了幾百萬(wàn)顆恒星，并證認(rèn)出幾十顆銀河系中心的恒星前面有移動(dòng)的天體。經(jīng)過地面望遠(yuǎn)鏡證實(shí)，在這幾十顆恒星中，有一顆名叫OGLE-TR-56的恒星周圍有一顆行星，它有2．6個(gè)木星大，質(zhì)量比木星小一點(diǎn)，密度與土星差不多，大氣溫度為1700℃。就像其他氣體巨行星一樣，它是在距離恒星較遠(yuǎn)的地方形成，而后遷徙到恒星附近的。它的質(zhì)量也與一般的氣體巨行星一樣，約為其主星的1／1000，與木星同太陽(yáng)的質(zhì)量比相當(dāng)。