搜尋系外行星

既然宇宙中有些恒星周圍擁有行星或者行星系統(tǒng)，那么以前人們?yōu)槭裁礇]有探測到它們呢？因為行星自身不發(fā)光，而只能依靠其表面反射母恒星的光線發(fā)光。由于其他恒星距離地球一般都很遙遠，例如開普勒-452b與地球的距離達1400光年。光線在傳播過程中隨距離的平方增加而減弱，因此系外行星的反射光一般都極其微弱，常常被其母恒星的光輝掩蓋而看不見。所以，雖然早在130年前（1855年）就有人宣稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但直到1989年才首次證實質量為木星的10.98倍的HD 114762 b是一顆系外行星（這也是首次證實系外行星的存在）。而質量與地球相近、環(huán)繞脈沖星PSR B1257+12運行的天體，直到1992年才首次被確認。

首次宣布發(fā)現(xiàn)系外行星的是英國東印度公司馬德拉斯天文臺的雅各布。他宣稱發(fā)現(xiàn)蛇夫座70雙星系統(tǒng)的軌道出現(xiàn)異常，他還認為這是一顆類似行星的物體造成的。當時人們還沒有系外行星的概念，因此這一發(fā)現(xiàn)被擱置下來。到了19世紀90年代，幾位天文觀測者提出，軌道異常意味著該系統(tǒng)中存在一個公轉周期為36年的黑暗物體。隨即有人反駁這種說法，認為這樣的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，不可能有周期性明顯的穩(wěn)定天體存在。因此，系外行星的先導性探索工作沒有得到當時人們的認可。

1988年，加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾等人測量出仙王座γ周圍有行星運行。但由于當時技術條件所限，包括發(fā)現(xiàn)者自己在內，天文學界都對此結果有所保留，甚至有人懷疑他們發(fā)現(xiàn)的不是系外行星，而是其他天體。然而，支持仙王座γ擁有行星的觀測也不少。因此，最終在2003年運用改進了的觀測結果證實了坎貝爾的結論。

2002年以后，系外行星的研究工作取得更多的實質性進展。至此，每年新發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量都在20顆以上。在得到觀測的系外行星數(shù)量大量增加的情況下，出現(xiàn)了不同的行星種類。1991年，美國天文學家林恩等人運用脈沖星計時法，發(fā)現(xiàn)了一個圍繞脈沖星1829-10轉的脈沖星行星。1992年，波蘭天文學家、美國賓夕法尼亞州立大學教授阿萊克桑德·沃爾茲森和加拿大多倫多大學學者戴爾·弗雷合作，發(fā)現(xiàn)了一個圍繞PSR 1257+12轉的脈沖星行星。他們還先后于1990年利用波多黎各阿雷西博天文臺上的大型射電望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了毫秒脈沖星PSR 1257+12和圍繞它轉的兩顆行星，并且計算出它們的軌道半徑分別是 0.36 和 0.47天文單位，質量分別是地球的3.9和4.3倍。這項發(fā)現(xiàn)迅速得到確認，還被普遍認為它們是首次確認的系外行星。

在這些研究的基礎上，天文學家還探索了這些系外行星的來歷，普遍認為它們是由超新星遺跡或巨型氣體行星的固體核心在超新星爆發(fā)時被拋出后形成的。超新星爆發(fā)遺跡是老年恒星走向墳塋的一種歸宿。老年恒星在走向死亡的過程中往往要發(fā)生爆炸，爆炸后大量外部氣體膨脹到外層空間，形成不斷膨脹的星際氣體。恒星的內部核心形成大質量天體，留在原來的地方，被稱為超新星爆發(fā)遺跡。超新星爆發(fā)遺跡常常就是自轉很快的脈沖星。

瑞士日內瓦大學的米歇爾·麥耶和戴狄爾·魁洛茲在1995年10月6日宣布，他們發(fā)現(xiàn)飛馬座51周圍有一顆行星圍著轉。飛馬座51是一顆主序星。所謂主序星，就是處在年輕時代的恒星。恒星也有形成、生長、壯大和死亡的生命史。恒星的一生需經過形成、青年和老年等過程，主序星是青壯年時期的恒星。我們的太陽就是一顆主序星。太陽大約能“活”100億年，它現(xiàn)在的年齡大約是45.5歲，正處在精力旺盛的青春時期。我們所在的銀河系的恒星，大多數(shù)是主序星。飛馬座51周圍行星的發(fā)現(xiàn)，表明系外行星不是稀有之物。目前估計，類似太陽的恒星中，10%周圍有行星。

飛馬座51周圍發(fā)現(xiàn)行星，被認為是當代先進的系外行星研究工作的成果。先進的科技，特別是高精度的光譜學在系外行星研究中的應用，大大加速了新的系外行星的發(fā)現(xiàn)。這些新發(fā)展是借助于系外行星對母恒星的吸引而間接測量出來的，也是通過系外行星走到其母恒星前面擋住母恒星的光焰、導致母星光度減弱而發(fā)現(xiàn)的。這兩種測量行星的方法，都來自對恒星中雙星系統(tǒng)的測量。所謂雙星系統(tǒng)，是指兩顆恒星在相互引力作用下，互相牽引著繞其引力中心轉的系統(tǒng)。兩顆繞著轉的恒星，都叫雙星系統(tǒng)的子星。當兩顆子星互相繞轉時，就有一顆從另一顆后面走向它的前面。在地面觀測者看來，這顆子星便向著觀測者走來。相反，另一顆子星便離觀測者而去。這一來一去，造成兩顆子星在觀測者視線方向的移動。這種移動會在恒星光譜上產生“紅移”或“藍移”。利用紅移或藍移，天文學家可以測量出恒星視線方向的運動。而另一方面，當恒星在相互繞轉時，有可能像日食那樣，出現(xiàn)一顆恒星走到另一顆恒星與觀測者之間，從而擋住另一顆恒星的光線，造成被阻擋恒星的光線減弱。如果阻擋的星不是恒星而是行星，那么這顆擋住恒星光線的行星便是系外行星，而被擋住光線的恒星就是它的母恒星。通過觀測母恒星光線的減弱，就能發(fā)現(xiàn)系外行星。

在系外行星研究方面的重大突破，得益于人類對它的重視和投資開發(fā)。其中最值得注意的，是美國宇航局所做的大量鋪墊性工作。這個研究機構早在20世紀60～70年代就開始探索系外行星，當時它除了采用大型射電望遠鏡在地面尋找人類的地外兄弟外，還在其1972年發(fā)射的、飛往木星的“先驅者-10號”飛行器上夾帶表明地球文明的外貌和位置的金屬板，以及表示地球人友好情意的圖片、聲音等，希望在飛行器與“外星人”相遇時能起到聯(lián)絡與溝通作用。1977年，美國在其發(fā)射的兩艘“旅行者”號探測器上，放置了一張?zhí)厥獾某暗厍蛑簟?，其中錄制了地球上的幾十個語種、地球上的各種自然聲音，以及包括我國《高山流水》在內的27首古典名曲等，以問候“外星人”。

大量初期研究，在人員素質培養(yǎng)、資金和技術積累等方面都做好了準備。因此，從2002年起，每年發(fā)現(xiàn)20多顆系外行星。到2013年7月12日，已經確認的系外行星總數(shù)達910顆。到2014年3月5日，被認定的系外行星總數(shù)為1078顆。這些行星分屬815個行星系，其中179顆屬于一顆恒星周圍擁有多個行星的行星系統(tǒng)。2014年9月24日，借助美國的多部太空望遠鏡，天文學家首次在一個海王星大小的太陽系外行星上發(fā)現(xiàn)了水蒸氣。這是人類發(fā)現(xiàn)有水蒸氣存在的最小的系外行星。這顆行星位于天鵝座，編號為HAT-P-11b，與地球的距離約為120光年。它約為4個地球大小，內部可能有固態(tài)核，外面覆蓋著大氣層，活脫脫一個克隆版的海王星。它距離母恒星比較近，環(huán)繞母恒星運行一周只需時約5天，因此它的表面溫度達到605℃。除了水蒸氣以外，這顆行星的大氣中還發(fā)現(xiàn)了大量氫氣。至2015年7月24日，已確認的系外行星達1935顆，它們分別屬于1225個行星系統(tǒng)，其中484顆位于多行星系統(tǒng)內。系外行星的觀測方法也有新的突破。