搜尋系外行星的新一代地基天文臺

楊峰

自1995年瑞士天文學家發現第一顆圍繞類太陽恒星公轉的行星飛馬座51b以來，對太陽系外行星的搜尋和研究就逐漸發展成為當代天文學最前沿、最熱門、最令公眾感興趣的領域。從事這方面觀測的天文學家，被人們形象化地稱為“行星獵人”。在行星獵人的不懈努力下，到2018年3月末，已經有3708顆系外行星被確認。得到這些成果所用的觀測設備中，主要用于尋找系外行星的兩個航天器——歐洲的天文衛星“科羅”（corot）和美國的空間望遠鏡“開普勒”（Kepler）——成果特別多。尤其是后者，其發現經常登上各類媒體。不過，地面望遠鏡在這方面也功不可沒，仍然發揮著獨特而重要的作用。這里我想介紹的，就是最近出現的專門用來搜尋系外行星的兩個地基天文臺——ExTra和SPECULOOS。

在“科羅”衛星于2006年年末升空之前，我們發現的系外行星都是地面觀測的成果。最早期的行星獵人沒有自己的專用天文臺，只能使用綜合性天文臺的通用望遠鏡。但這類望遠鏡的觀測日程往往被各類研究課題排得滿滿的，可供行星獵人使用的時間極其有限。于是，他們開始建造自己的觀測裝備，就此誕生了第一代專門用于搜尋系外行星的地基天文臺。這些天文臺的共同特點是：將多臺完全相同的小口徑望遠鏡聚集在一起，置于同一個圓頂之內，組成一個小規模的陣列。望遠鏡的主鏡口徑都不到0.5米，并不比某些業余天文愛好者的望遠鏡更大。其中最具代表性的是美國的M-Earth和歐洲的NGTS。前者包括位于美國本土的M-Earth北臺和位于智利的M-Earth南臺，兩個天文臺都由8臺口徑0.4米的望遠鏡組陣；后者是同樣建在智利的歐洲南方天文臺的一部分，由12臺口徑0.2米的望遠鏡構成。

2016年至2017年，環繞紅矮星Trappist-1運行的7顆類地行星相繼被發現，而且其中有3顆位于宜居帶。美國航空航天局為此召開了新聞發布會，并被全球媒體廣泛報道，成為轟動一時的重大科學新聞。取得該成果的領軍人物、比利時列日大學的米歇爾·吉隆教授，還被美國《時代》雜志評為2017年度全球最有影響力的100人之一。這一發現不僅激發了人類探索系外行星的更高熱情，也給行星獵人帶來了兩點啟示：第一，在占銀河系恒星總數70%的紅矮星周圍，甚至在數目同樣龐大的褐矮星周圍，存在著大量的類地行星，其中位于恒星宜居帶、因而有可能孕育生命的行星總數也會很多；第二，在空間天文學蓬勃發展和地基望遠鏡越造越大的時代，低成本的小型地面望遠鏡在系外行星探測中的作用依然無可替代，首先發現紅矮星Trappist-1有行星的就是一臺口徑0.6米的望遠鏡。正是在這樣的背景下，搜尋系外行星的第二代地基天文臺ExTra和SPECULOOS應運而生。和前面提到的NGTS一樣，ExTra和SPECULOOS都成為歐洲南方天文臺的組成部分，都位于智利北部的阿塔卡馬沙漠地區。

ExTra是“凌星系外行星及其大氣層”（Exoplanetsin Transits and theirAtmospheres）的簡稱，是法國的科研項目，由歐洲科學研究委員會和法國國家科研中心提供經費。ExTra天文臺由3臺口徑0.6米的望遠鏡組成。和第一代搜尋系外行星的天文臺相比，不僅望遠鏡更大，而且每臺望遠鏡都有各自的圓頂，并由天文學家在法國格勒諾布爾進行遠程控制，形成了一個既附屬于歐洲南方天文臺，又相對獨立和完整的、很有特色的專門用途科研設施。ExTra天文臺利用凌星方法，也就是監測由于行星在恒星前面通過而導致的恒星亮度下降來尋找銀河系中的類地行星。由于紅矮星體積小、光度低，圍繞它們運行的體積類似地球的行星在凌星過程中導致的恒星變暗幅度更大，因而也更容易被探測到，ExTra就專門以距離太陽系較近的紅矮星為觀測目標。又因為紅矮星在紅外波段比在可見光波段的光度高出很多，ExTra是在紅外波段進行觀測，從而提高精度和效率。ExTra的具體工作方式也比較獨特，是在常規的測光觀測中融入光譜分析。3臺望遠鏡對目標恒星以及另外4顆用來對比的恒星進行觀測，通過這種對比來探測目標恒星亮度的微弱變化，再經由光纖把望遠鏡收集的星光引入一臺近紅外多目標光譜儀。測光觀測與分光觀測的這種結合，有利于消除地球大氣層擾動給觀測造成的影響和儀器本身引起的誤差。除了找到紅矮星周圍的類地行星，ExTra還要研究它們的結構和組成成分等基本特征，評估它們與地球的相似程度，并回答關于系外行星的一些基礎性問題，比如在銀河系中行星存在的普遍程度有多大、類似Trappist-1這樣的多行星系統的動力學及行星是在怎樣的環境中形成，等等。ExTra已于2018年1月成功地進行了初光觀測，首席科學家夏瓦爾·班菲爾斯滿懷期待地說：“在歐洲南方天文臺的極大望遠鏡E-ELT之類的下一代望遠鏡建成之后，我們就能研究ExTra發現的行星的大氣層，以確定那里有沒有可能存在生命。對系外行星的研究正在把科幻小說的內容變成現實。”

ExTra的兄弟項目，SPECULOOS的名字有點拗口，是“搜尋掩食超冷恒星的可居住行星”（The Sea rch forhabitable Planets ECIipsingULtra-cool Stars）的縮寫。它是一個由上文提到的吉隆教授領導的國際項目，成員來自比利時的列日大學、英國的劍橋大學以及沙特阿拉伯的阿卜杜阿齊茲國王大學。其天文臺仍在建設中，但已接近完工。SPECULOOS包含4臺口徑1米的自動化望遠鏡，分別以木星的四大衛星來命名，也都配有各自的圓頂，望遠鏡口徑以及整體規模都大于ExTra。

建成后的SPECULOOS天文臺將專門觀測超冷矮星，尋找圍繞它們運行的類地行星，尤其是宜居行星。超冷矮星包括兩類天體：一類是光譜型為M7、M8、M9的低溫紅矮星；另一類是褐矮星，也就是由于質量不足而不能像正常恒星那樣通過核反應發光發熱的亞恒星天體，也被稱為“失敗的恒星”。由于超冷矮星的輻射主要在近紅外波段，SPECULOOS配備了高靈敏度的近紅外相機，預計會發現幾十個類似Trappist-1的行星系統，并試圖找到最適合由未來的巨型望遠鏡對其大氣特征進行后續觀測以期尋找生命跡象的類地行星。

相比探測系外行星的其他方法，凌星法能揭示出行星的更多信息，包括行星半徑和軌道參數，甚至行星質量和大氣狀況。SPECULOOS天文臺也將利用凌星法對距離太陽系最近的500顆超冷矮星進行觀測，希望在這些最冷、最小也最暗的恒星以及褐矮星周圍，找到較多位于宜居帶內并且體積和質量都與地球相仿的行星，有力地推動行星科學的發展和外星生命的探索。

相信ExTra和SPECULOOS會不斷給人類帶來驚喜。