開普勒太空望遠(yuǎn)鏡及系外行星探索（上）

郭紅鋒

尋找系外行星

系外行星，一般指太陽系外圍繞其母恒星（或稱宿主恒星）公轉(zhuǎn)的行星，近年來科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一些流浪行星（或稱星際行星，即不圍繞任何恒星公轉(zhuǎn)的行星）和一些圍繞致密星（例如白矮星、中子星、黑洞）公轉(zhuǎn)的行星，它們都處在太陽系外，故稱系外行星。

千百年來，人們仰望星空，一直遐想著天上的星星里也居住著跟我們一樣的人類。近代科學(xué)的發(fā)展讓我們知道，那些閃閃發(fā)光的星星（恒星）都處于溫度極高，正在發(fā)生著核反應(yīng)的狀態(tài)，其中的物質(zhì)形態(tài)不是地球上常溫下的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)等分子原子組合的狀態(tài)，而是分離成為等離子或更致密的極端狀態(tài)，那種情形下是不能存在生命這樣高分子組合狀態(tài)的。于是，人們開始尋找類似地球上的適合生命存在的環(huán)境。在太陽系內(nèi)，我們對能探測到的各行星、矮行星、小行星、彗星等都進(jìn)行了廣泛的探索和環(huán)境分析，到目前為止，只有地球的環(huán)境能夠適合生命的存在。這就引發(fā)了人們用高科技的手段去尋找類似地球環(huán)境的太陽系外的類地行星。

1995年10月6日，瑞士天文學(xué)家Michel Mayor和Didier Queloz使用法國上普羅旺斯天文臺的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆太陽系外行星（后命名為飛馬座51b）在環(huán)繞恒星（飛馬座51）運(yùn)行。這是第一顆被確認(rèn)的太陽系外行星（此前也有科學(xué)家宣稱發(fā)現(xiàn)了系外行星，但由于種種原因沒有被確認(rèn)），因此具有里程碑意義。從此，天文學(xué)家投入了各種望遠(yuǎn)鏡，嘗試了各種技術(shù)手段，每年都有新的地外行星被發(fā)現(xiàn)。

系外行星的探索方法

視向速度法

當(dāng)行星圍繞恒星公轉(zhuǎn)時，它所產(chǎn)生的引力會對恒星造成輕微的擾動，就如同鏈球運(yùn)動員投擲時要人和球一起繞轉(zhuǎn)，人的質(zhì)量大，在互相運(yùn)動中位移很小。行星繞恒星轉(zhuǎn)動時也會影響恒星產(chǎn)生微小位移。恒星的這種有規(guī)律的微小位移，會導(dǎo)致我們測量到的恒星的光線發(fā)生多普勒效應(yīng)（在我們視向方向上，朝向我們而來的光波發(fā)生藍(lán)移，離開我們而去的光波發(fā)生紅移）。早期發(fā)現(xiàn)的系外行星，多用這個方法，例如前文提到的飛馬座51b。

凌日（星）法（或稱掩食法）

探測太陽系外行星的凌日方法，是目前比較常用也比較有效的發(fā)現(xiàn)系外行星的手段之一。簡單說，就如同我們在地球上觀察水星或金星，有時候看到它們像一個小黑點(diǎn)一樣從日面前面經(jīng)過，可遮擋日光，減少正常日光約幾萬分之一。這么微小的太陽光度的變化，用現(xiàn)代的高科技儀器是可以探測出來的。同樣，當(dāng)某顆行星運(yùn)行到宿主恒星和地球之間時，它的身影就會將宿主恒星的一小部分光遮住，導(dǎo)致后者亮度發(fā)生微弱的變化。這種變化極其微小，但是通過現(xiàn)代高精度的設(shè)備還是能測量到的。

雖然凌日法是一種非常有效的手段，但它也有一些限制，那就是地球必須位于這顆行星公轉(zhuǎn)軌道所在的平面上。只有在這種情況下，系外行星才有機(jī)會運(yùn)行到地球和宿主恒星之間，給宿主恒星的亮度帶來變化。如果我們發(fā)現(xiàn)某顆恒星有這樣的變化，并且變化具有規(guī)律性，那就意味著它周圍極有可能存在著圍繞它公轉(zhuǎn)的行星。

直接成像法

前面說的都是間接觀測的方法。也就是說，科學(xué)家并沒有直接觀測到系外行星本身，而是通過它引起的各種現(xiàn)象來推測它的存在。那么，我們能不能直接觀測系外行星呢？答案是可以，但非常困難。

因?yàn)樾行潜旧聿话l(fā)光，如果系外行星太靠近宿主恒星，那就很容易被宿主恒星的光芒所掩蓋;如果離得遠(yuǎn)了，接收到宿主恒星的光芒就太少，反射的光更少，同樣無法被我們直接成像。只有極少數(shù)各種參數(shù)都恰到好處的系外行星能夠被我們直接成像，比如2M1207b，是第一顆，也是迄今為止極少數(shù)被直接成像的系外行星之一。

近年來，科學(xué)家還不斷地發(fā)展出一些其他搜尋系外行星的方法，例如天體測量法、脈沖星計(jì)時法、引力透鏡法、狹義相對論法等，此處略去。