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，天文學家才檢測到一個圍繞著脈沖星旋轉的行星。4年后，又有科學家發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞著一顆類似太陽的恒星運轉的行星，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，還有約2000顆行星有待仔細辨認和確定。天文學家約翰·約翰遜和喬納森·斯瑞福特認為，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的進步，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行深入研究。

美國航空航天局太陽系外行星科學研究所設在加利福尼亞理工學院，主要進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

2012年，約翰遜的研究小組發(fā)現(xiàn)了3顆圍繞一顆較小的、相當昏暗的紅矮星KOI-961旋轉的行星，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。天文學家認為，在整個銀河系恒星中，紅矮星占70%。約翰遜認為，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

長期進行太陽系外行星研究的科學家斯蒂芬·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，行星則圍繞這個聯(lián)星系統(tǒng)旋轉。他們通過計算機模擬計算，認為這種聯(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量、亮度和它們之間的距離等數(shù)據(jù)，重新計算了已知的聯(lián)星系統(tǒng)內的宜居帶，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的行星所造成的恒星抖動，捕捉行星的存在信號。科恩是唯一一位可以同時運用這三種方法計算行星運行軌道的人。

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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量。通過這些信息，可以計算出某個行這幅藝術構想圖顯示銀河系內的恒星有行星環(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的成分構成及其表面溫度。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)，可以計算出該行星更詳細的大氣構成情況。

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鏡和哈勃太空望遠鏡?？伺退耐履壳罢谔綔y更大的行星。“我想知道，和木星大小相當、表面溫度高達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鏡特別設計的，可以讓天文學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，必須擋住恒星的強光。有些年輕的恒星，其亮度是圍繞其運行的行星的100萬倍。”

該計劃的提出者是原美國自然科學史博物館的博士本·奧本海默。奧本海默為美國空軍研發(fā)了自動電光望遠鏡。位于帕洛瑪?shù)难芯繖C構拓展了奧本海默的設想，用霍爾天文望遠鏡和精密的適應性光學儀器系統(tǒng)，使地球大氣層對望遠鏡的影響降到最低。美國噴氣動力實驗室的工程師給霍爾天文望遠鏡后端裝上了附加的計算機硬件，進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光，還有一個光譜儀，經(jīng)過仔細處理，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