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漫谈人类发现系外行星历史 宜居星球仍凤毛麟角

http://www.kexue.com 2013-11-20 09:10:23 北京日报  发表评论


人类已经发现了众多的系外行星,但其中宜居的凤毛麟角

  近一段时间,关于发现太阳系外行星的消息不绝于耳。比如,美国科学家发现一颗名为“开普勒78b”的多岩炙热行星,距地球700光年,体积只有地球的1.2倍,质量只有地球的1.7倍,与地球惊人相似;又有德国天文学家宣布,发现类似太阳系“家族”的行星系,距离地球约2500光年,共有7颗行星环绕母星KOI-351运转,是迄今发现的行星最多的太阳系外行星系。

  然而,不知读者朋友是否想过,距离遥远且自身并不发光的系外行星,是如何被地球上的人类发现的呢?

  与恒星相比,行星实在是太黯淡了。一般而言,行星在可见光波段的光度只相当于其母恒星的百万分之一,甚至更少,而且行星的光亮通常都会消失在恒星耀眼的辉光中。利用现阶段的观测工具,很难直接获得行星的可见光影像。因此,发现太阳系外行星,确实是一件非常困难的事情。

  21年前发现第一颗系外行星

  2013年10月25日的统计数据告诉我们,人类已经在782个行星系统中探测到1028颗行星,其中有170颗属于多行星系统(即有多颗行星围绕同一颗母恒星公转,我们的太阳系就是一个多行星系统)。

  相比于浩如烟海的恒星数量来说,1000多颗的系外行星数量实在少得可怜。然而这其实已经是很大的进步。要知道,人类确认第一颗太阳系外行星仅仅是21年前的事。

  1992年4月21日,两位射电天文学家亚历克山大-沃斯赞和达尔-福莱尔宣布发现两颗围绕脉冲星 PSR 1257+12运行的行星。这是得到公认的人类观测到的第一个太阳系外行星系统。而三年后,即1995年的10月6日,瑞士日内瓦大学的两位天文学家米歇尔-迈耶和戴帝俄-奎罗兹在飞马座一颗G型恒星(51 Pegasi)附近发现的行星,则是第一颗被确认的围绕主序星运行的太阳系外行星。这项在上普罗旺斯天文台完成的石破天惊的发现,开启了人类探测太阳系外行星的新篇章。

  要想直接观测到行星,最有效的办法是挡住母恒星的光亮,但目前人类的观测技术还很难做到。所有号称拥有“剧照”的行星图像其实都是在红外波段拍摄的,它们都是个头很大远离母恒星的“超级木星”。因为在红外波段,这些高温行星辐射出比在光学波段多得多的辐射,因此获得它们红外波段的图像相对容易。显然在不久的将来,随着观测技术水平的迅猛提升,我们一定能够在光学波段对越来越多的行星进行直接成像观测,但就今天而言,最有成效的太阳系行星搜索,都是利用间接方法完成的。

  古老的多普勒效应开出新花朵

  米歇尔-迈耶和戴帝俄-奎罗兹开创历史的发现,是应用了这种原理:随着观测技术,特别是恒星光谱分辨率的大幅度提高,天文学家可以测量行星通过引力作用对其母恒星运动产生的影响,间接推测出行星的存在。这就是所谓视向速度或多普勒法,这种方法目前仍然是采用最多、成果最丰硕的发现系外行星的方法。

  在行星绕母恒星公转的同时,母恒星也会绕着恒星-行星系统的质心运动,如果某颗恒星在视线方向(朝向或远离地球的方向)的运动发生变化(很有可能是由于它的附近有行星存在),就会体现在它的光谱上,也就是我们熟知的多普勒效应。当光源远离我们运动时,谱线会向光谱的红端移动,我们称为红移,相反,如果光源朝向我们运动,谱线会发生蓝移。

  目前的观测技术可以检验出恒星低至每秒1米的视向速度变化。这种探测方法有一个无与伦比的优点,它对恒星本身的性质没有过多要求,基本上任何类型的恒星都可以用这种办法来检测是否有围绕其运行的行星存在。

  视向速度法最大的缺陷之一是无法确定行星的真实质量,但如果可以通过其他方法确定母恒星的质量,就能够推断出行星的真实质量。

  凌星法依据的原理更加简单直观

  在多普勒方法之外,另一种常被采用的发现系外行星的方法是所谓凌星法。它依据的原理其实更为简单。

  与我们熟悉的日食和月食原理一样,当母恒星的行星刚好从它和地球之间经过时,行星就会遮挡住一部分来自背后母恒星的光芒,在地球上会观测到母恒星的亮度有所下降,亮度下降多少主要与恒星和行星的尺寸有关。通过测量恒星的亮度变化,能够推断出行星的存在,同时得到行星大小的信息。

  但凌星法经常受到其他因素的干扰,所以特别需要用独立的方法加以验证。而额外的好处是因为采取了测光观测,有时能够获得行星大气的信息,这就跟我们在地球上观测金星凌日时一样。

  凌星法在诸多搜寻太阳系外行星的方法中,仅次于视向速度法,在过去的二十年间发现了很多系外行星。

  而对于多行星系统来说,凌星时变法是非常有效的找到或确认行星存在的办法。因为每颗行星都会对其他行星的轨道产生微小的扰动,当其中一颗行星凌星的时间发生微弱的变化时,就意味着可能它的轨道受到其他未知行星的扰动,而扰动行星本身可能并没有发生在地球上可以观测到的凌星现象。

  此外,天文学家们还会用凌星持续时间变化法、微引力透镜法、天体测量法、脉冲时变法、变星时变法、相对论光束法、偏振法等办法来寻找太阳系外行星,但最常用、搜寻效果最好的,还是看起来原理更加简单的视向速度法和凌星法。

  但不论是采用哪种方法,依赖的基础还是人类天文观测的精度大大提高了。特别是2009年3月发射的,专门用于探测系外行星的开普勒太空望远镜,为人类关于太阳系外行星的认识立下了汗马功劳。

  宜居行星仍是凤毛麟角

  我们在宇宙中真的是孤独的吗?除了地球,浩瀚宇宙中难道真的没有另一个能够承载人类的星球吗?人类寻找太阳系外行星,其实最原始的动力就是寻找我们人类的伙伴。

  单从数量上看,1028颗太阳系外行星即使算不得数目庞大,也可谓振奋人心。但别高兴得太早!这1028颗行星,大多数是所谓的“类木行星”,就是与我们太阳系的木星相似的大块头气态行星,其中很多距离母恒星非常近,是一片火海炼狱。

  科学家提出了“宜居行星”、“类地行星”的概念。所谓宜居行星,是指那些距离母恒星既不太远也不太近,刚好能够让液态水存在,拥有与地球类似环境的行星。这样特殊的行星在已发现的1000多颗系外行星中可谓凤毛麟角。最有希望的是2010年发现的编号为格里斯581g(Gliese 581g)的行星。它刚好位于其母恒星格里斯581的宜居带中间,是一颗与地球类似的岩质行星(区别于木星那样的气态行星)。但格里斯581g“最像地球的系外行星”的称号遭到了很多天文学家的质疑,因此它是否能稳坐“最宜居”的第一把交椅我们还要拭目以待。

  其他频频出镜的“超级地球”有开普勒22b,第一颗位于类太阳恒星宜居带的“超级地球”;格里斯163c,质量大约为地球的7倍,比地球温度高,位于母恒星格里斯163的宜居带中。

  2013年是系外行星探测大丰收的一年,已经发现了三颗可能拥有海洋的超级地球,开普勒62e、开普勒62f和开普勒69c。最激动人心的事就发生在4个多月前,2013年6月,天文学家在我们附近的M型恒星格里斯667C内一下子发现了三颗宜居行星,分别是格里斯667Cc、格里斯667Ce和格里斯667Cf,创造了在单颗恒星周围发现宜居行星数量的新纪录。

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