圖解系外行星發現史（2）

文/ 葉楠

世紀之交的系外行星發現

飛馬座51b的發現標志著在其他恒星周圍也有行星的存在。不過飛馬座51b是一顆表面為氣態的行星，質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，相當于日地距離的二十分之一。在這個距離下它的表面溫度高達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發現的意義在于證明了行星并不是只有太陽周圍才有的特產，在這個廣袤的銀河系中其他恒星周圍也是有行星存在的。同時，飛馬座51b的發現也激勵了天文學家們進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現。

發現第一顆雙星系統的系外行星

巨蟹座55是一個距離我們約40光年遠的雙星系統，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，美國天文學家巴特勒和馬西利用視向速度法發現了這顆系外行星，這是歷史上發現的第四顆圍繞主序星公轉的系外行星，也是第一顆在雙星系統中發現的系外行星。不過，巨蟹座55b的公轉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。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巨行星。后續在這個雙星系統中又陸續發現了4顆系外行星。圖中深藍色的那顆為巨蟹座55b。

發現第一顆圍繞紅矮星公轉的系外行星

格利澤近星星表是由德國天文學家格利澤于1957年發表的一個星表，收錄了近千顆距離地球在20秒差距（約65光年）內的恒星，后續又逐漸將距離范圍擴大到25秒差距。由于我們現在發現的系外行星大都也是距離較近恒星周圍的，所以后續可能會經常看到格利澤編號的天體出現。格利澤876是一顆距離地球只有約15光年的紅矮星，1998年，天王學家發現了一顆圍繞其公轉的系外行星格利澤876b，它可以說是一顆大號的木星，其質量大約是木星的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的藝術想象圖。

第一顆預測有水蒸氣的系外行星

HD 209458b是發現于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于地球上的3.5天，同時表面溫度高達1000℃以上。它還是第一顆既通過視向速度法也通過凌星法發現的系外行星，2005年，斯皮澤空間望遠鏡甚至還直接接收到了它的紅外輻射。2007年，天文學家還根據模型推測在它的大氣中有水蒸氣的存在。圖為HD 209458b的藝術想象圖。

發現第一顆圍繞紅巨星公轉的系外行星

天龍座ι是一顆年齡大約只有8億年的恒星，不過由于它的質量大約是太陽的1.82倍，在恒星世界中質量越大演化速度越快，它已經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，在這顆巨星邊上發現了一顆系外行星天龍座ιb，同它圍繞公轉的恒星類似，天龍座ιb也是一個大塊頭，它的質量是木星的8.8倍。

發現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，天文學家發現了這顆直徑約是地球1.9倍，表面為固態的系外行星。它的公轉軌道半徑只有約230萬千米，公轉一周只相當于地球上的17.7個小時。在它白天一側表面溫度高達2400℃以上，即使在夜晚一側也高達1300℃。雖然條件惡劣堪比地獄，但這是人類發現的第一顆圍繞其他主序星公轉的類地行星。圖為藝術家描繪的巨蟹座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，天文學家在格利澤876周圍也發現了4顆系外行星，其中距離恒星最近、質量最小的一顆是2005年發現的格利澤876d，它的質量據估計是太陽的6.83倍。據推測，它曾經很可能是一顆距離恒星較遠的氣態行星，之后逐漸向恒星接近。在這個過程中行星表面的物質被日冕物質拋射吹走，慢慢演變成一顆具有大氣的固態行星。我們將這種質量比地球更大的固態行星統稱為“超級地球”。當然這個場景還只是猜測，尚需更多觀測數據證實。格利澤876d的軌道半徑只有310萬千米，不過由于它圍繞公轉的是一顆發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光年遠的系外行星，于2006年利用智利拉西亞天文臺的1.54米望遠鏡通過微引力透鏡法發現的，它圍繞一顆質量只有0.22倍太陽質量的紅矮星公轉。由于這顆行星編號實在太長，通常我們稱它為“霍斯”，這個名字來自《星球大戰》中一顆完全被冰雪覆蓋的行星“霍斯”。“霍斯”非常寒冷，表面溫度大約只有-220℃，這使它成為已知最冷的天體之一。它的質量大約是地球的5.5倍，公轉一周約需要3500天。圖為“霍斯”的藝術想象圖。

第一顆被證認位于宜居帶內的系外行星

格利澤581是一顆質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年發現格利澤581b至今，在這顆紅矮星附近已經發現了多顆系外行星。圖為格利澤581系外行星系統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現時間順序。格利澤581d是其中質量最大的一顆。更重要的是，天文學家發現它位于格利澤581的宜居帶附近，也就是說它的表面有可能有液態水的存在。這顆“超級地球”如果真的有水，那距離尋找第二個地球的目標似乎更近了一步。

宜居帶

宜居帶是指環繞恒星的部分軌道范圍，在這片區域中的類地行星表面溫度適宜，能夠維持液態水的存在。液態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概念，用來確定那些和地球有著類似空間環境的系外行星。這片區域的大小范圍也和恒星有著莫大的關系，如果恒星是一顆質量比太陽更小的紅矮星，那么宜居帶的軌道半徑就要遠遠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，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。但是關于這顆系外行星的發現仍然沒有得到最終的證實，還需要更多的觀測支持。

到2000年，人類共發現了32顆系外行星，其中28顆利用視向速度法發現，4顆利用脈沖星計時法發現。進入新世紀后的前十年發現系外行星379顆。雖然視向速度法還是占據發現的主要地位，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。新世紀第二個十年，系外行星的發現開始加速，截止到2022年底共發現系外行星5235顆。下期我們將介紹不同的系外行星發現方法及與之對應的發現系外行星的特點。