發(fā)現(xiàn)系外行星的七種方法

安利

4月18日，美國國家航空航天局（NASA）的“凌星系外行星巡天衛(wèi)星”（TESS，昵稱“苔絲”）升空，開始其系外行星搜索之旅。作為開普勒太空望遠鏡的“接班人”，“苔絲”也是使用凌星法進行系外行星勘測的。除此之外，天文學家還能用哪些方法來發(fā)現(xiàn)系外行星呢？

1.天體測量法

天體測量法是最早用于搜尋系外行星的方法，主要通過精確測量恒星的運動軌跡來確定受其引力拖曳的行星所在。天體測量方法的優(yōu)點在于能夠較為準確地計算出行星質量，而且對大軌道的行星尤為敏感。然而，此方法要求的精度非常高，需要數(shù)年以至數(shù)十年的觀測方能確認結果。2010年10月發(fā)現(xiàn)的HD 176051b是迄今唯一一顆已經確認的借由天體測量方法發(fā)現(xiàn)的系外行星。不過，人們寄希望于2013年12月發(fā)射升空的歐洲空間局“蓋亞”空間天體測量衛(wèi)星項目。不久前，該項目公布了第二批科學數(shù)據(jù)。“蓋亞”已經測定了超過10億顆恒星的亮度、光譜特征、三維位置和運動情況，并建立了銀河系迄今最準確的三維星圖。研究人員估計，新的天體測量學有望幫助他們找到數(shù)萬顆新的系外行星。

2.直接成像法

這種方法如同給系外行星拍攝個“證件照”，以獲得其光度、溫度、大氣、軌道等最直接、最豐富的信息。但該方法要求行星的自身尺寸要足夠巨大，與母恒星的距離還不能近到被其光芒所掩蓋，對“攝影師”的要求也很高。目前，掌握直接成像法的幾位著名“攝影師”有哈勃太空望遠鏡、夏威夷凱克天文臺的望遠鏡以及歐洲南方天文臺位于智利的望遠鏡陣列。它們不僅攝影裝備先進，還配備有功能強大的日冕儀，能在觀測中有效屏蔽掉母恒星的耀眼光芒，從而保證“主角”形象的清晰。鑒于直接成像法難度不小，所以迄今用這種方法發(fā)現(xiàn)的系外行星也只有40多顆。

3.徑向速度法

與直接成像法不同，大部分系外行星都是通過間接方法被發(fā)現(xiàn)的。徑向速度法就是一種頗有成效的間接方法，1995年，人類首次在類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)行星—飛馬座51b，用的就是這種方法。該方法所依據(jù)的原理是多普勒效應，因此也被稱為多普勒效應法。行星在圍繞母恒星運行時，也會給恒星一個牽引力，恒星所發(fā)出的光譜相應會產生紅移和藍移，從中可推導出恒星的徑向速度（向著地球或離開地球的運動速度）。現(xiàn)代的光譜儀器已經可以檢測出低至1米/秒的速度變化，從而推測出行星的質量、周期等信息。科學家利用歐洲南方天文臺位于智利的高精度徑向速度行星搜索器（HARPS）、夏威夷凱克天文臺的高分辨率階梯光柵光譜儀（HIRES）等先進的天文設備，已經發(fā)現(xiàn)了超過700顆系外行星。

4.凌星法

所謂凌星或凌日，是指當系外行星從母恒星與地球之間經過時，行星會遮擋住部分恒星發(fā)出的光線，造成我們觀察到的恒星亮度發(fā)生輕微減弱。通過對這種輕微光變的探測，就可以推知系外行星的存在。由于凌星現(xiàn)象比較罕見，為了盡可能多地發(fā)現(xiàn)系外行星，就必須對盡可能多的恒星進行監(jiān)測。開普勒太空望遠鏡自2009年3月升空以來，尋找系外行星收獲頗豐，截至目前人類找到的近3800顆系外行星，有70%是它發(fā)現(xiàn)的，它被冠以“行星獵手”的美稱。“苔絲”雖然也是采用凌星法進行系外行星勘測，但它在搜尋策略上有別于前輩。與開普勒連續(xù)多年定點監(jiān)測一小塊天區(qū)不同，“苔絲”將開啟“巡天”模式，即在兩年的時間內，對全天幾乎90%的區(qū)域進行觀測，著重瞄準我們太陽系周圍的鄰居們。

5.重力微透鏡法

從地球上觀察，當一個星體移動到一顆背景恒星前面時，恒星發(fā)出的光在受到天體質量所形成的重力作用之后，會像經過透鏡一樣被折射，被放大，由此便會產生一個光變曲線。如果該恒星擁有行星，那么將會產生二級光變曲線。因而，一旦發(fā)現(xiàn)了二級光變曲線，就可以證明行星的存在。這種方法在觀察地球與銀河中心之間的恒星時最有可能獲得成效，因為銀河中心可以提供大量的背景恒星。科學家還可以用這種方法去尋找所謂的“游俠行星”，即那些沒有歸依、自由流浪于宇宙深處的行星。

6.脈沖星計時法

這種方法特別適用于發(fā)現(xiàn)圍繞脈沖星運動的行星。脈沖星是由超新星爆炸殘余形成的密度極高的星體，在高速自轉的同時，會發(fā)射出強烈脈沖輻射。這種輻射由于脈沖星自轉穩(wěn)定而非常規(guī)律，使科學家可以憑借在脈沖輻射中觀察到的時間異常來發(fā)現(xiàn)行星的蹤跡。1992年，兩位波蘭射電天文學家使用這種方法發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞著脈沖星PSR 1257+12的兩顆行星。這是人類在太陽系之外第一次確認發(fā)現(xiàn)的行星。

7.狹義相對論法

這是一種利用愛因斯坦狹義相對論指導發(fā)現(xiàn)系外行星的新方法。恒星的亮度因行星運動而發(fā)生的變化—后者的引力作用引發(fā)相對論效應，導致組成光的光子以能量的形式“堆積”，并集中于恒星運動的方向。開普勒-76b行星的發(fā)現(xiàn)是這種方法所取得的第一個成果，并已被徑向速度法所證實。開普勒-76b也因此得名“愛因斯坦的行星”。