尋找另一個(gè)地球 科學(xué)家有四大法寶

行星Kepler-186f的藝術(shù)構(gòu)想圖

行星運(yùn)動(dòng)使光譜發(fā)生頻率紅移和藍(lán)移

仰望星空，在地球之外，是否還存在宜居的星球?這個(gè)問題帶給人們無限的遐想。

關(guān)于宜居行星的探測，不斷有好消息傳來。在美國國家航空航天局(NASA)宣布利用開普勒項(xiàng)目數(shù)據(jù)確認(rèn)找到了一個(gè)新“太陽系”后不久，科學(xué)家又宣布在38億光年之遙的太空找到了一群行星，把人們尋找行星的目光拓展到銀河系外。

開普勒項(xiàng)目是如何尋找行星的?科學(xué)家是如何看到遙遠(yuǎn)行星的?在尋找系外行星的征途上，主要有哪些方法，它們各自有哪些看家本領(lǐng)?科技日報(bào)記者就此采訪了業(yè)內(nèi)專家。

凌星觀測：讓開普勒成為系外行星獵手

開普勒太空望遠(yuǎn)鏡2009年發(fā)射升空，是世界首個(gè)用于探測太陽系外類地行星的飛行器。在起初3年半的任務(wù)期內(nèi)，開普勒望遠(yuǎn)鏡就對超過15萬個(gè)恒星系統(tǒng)展開持續(xù)不斷的監(jiān)控，產(chǎn)生了海量數(shù)據(jù)。

對開普勒獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，科學(xué)家們遴選出了眾多系外行星“候選者”。來自NASA官網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示，開普勒發(fā)現(xiàn)了4496位“候選者”，其中2341顆得到了確認(rèn)。

事實(shí)上，目前科學(xué)家總共確認(rèn)的系外行星約為3704顆。由此可見開普勒在壯大系外行星家族的過程中扮演了重要角色，無愧“系外行星獵手”的頭銜。

行星自身不發(fā)光，在耀眼恒星的映襯下，更是難以看見。那么，開普勒是如何“捕獲”系外行星的呢?

“開普勒主要是通過凌星法，即行星的遮擋效應(yīng)來進(jìn)行探測的，這也是目前行星探測的主要方式。”中科院國家天文臺研究員茍利軍對科技日報(bào)記者說道。

“金星凌日”是人們通過肉眼就能觀測到的凌星現(xiàn)象。金星軌道在地球軌道內(nèi)側(cè)，某些特殊時(shí)刻，地球、金星、太陽會(huì)在一條直線上。這時(shí)從地球上可以看到，金星就像一個(gè)小黑點(diǎn)一樣在太陽表面緩慢移動(dòng)。

當(dāng)一顆行星飛越自己的主恒星前方時(shí)，會(huì)遮擋一部分主恒星的輻射，從而使得主恒星的亮度看起來降低一些。盡管主恒星最多只有百萬分之一的亮度變化，科學(xué)家也可以收集到許多有價(jià)值的信息。在不用直接看到行星的情況之下，不僅僅可以判斷行星的存在，而且在合適的條件之下還可以得到與行星有關(guān)的大氣信息。

茍利軍介紹，凌星法可以根據(jù)恒星亮度周期性的變化確定系外行星的軌道傾角，從而進(jìn)一步確定行星質(zhì)量。凌星法還可以了解行星大氣結(jié)構(gòu)。當(dāng)行星行經(jīng)其主恒星前方時(shí)，主恒星光線便會(huì)經(jīng)過行星的最外層大氣。分析此時(shí)主恒星的光譜，便能得知行星的大氣成分。此外，還可以通過凌星法獲取行星的光譜性質(zhì)，從而分析行星的溫度，甚至能偵測到行星上云的形成。

凌星法雖然比較高效，但也不是萬能的。比如，當(dāng)行星的軌道面剛好與人們的視線方向相垂直時(shí)，在視線方向上，恒星的光不會(huì)被行星遮擋，因此探測不到恒星的亮度變化。

直接成像：給行星拍個(gè)照

凌星法是間接獲取系外行星存在的證據(jù)，有沒有辦法能一窺系外行星的真身?答案是肯定的，那就是直接成像法。

2004年，法國科學(xué)家利用歐南臺的甚大望遠(yuǎn)鏡直接拍攝到了圍繞著一顆褐矮星公轉(zhuǎn)的熱木星。這是人類歷史上第一次用直接成像法拍攝到的系外行星。茍利軍指出，此次恒星較暗，而行星較亮，所以在沒有遮擋恒星的情形之下就看到了行星。通常情況下需要把中心恒星的光芒遮擋以后進(jìn)行觀測。

如何才能擋住恒星耀眼的光芒，拍攝到隱匿一旁的行星?科學(xué)家借助日冕儀原理，在望遠(yuǎn)鏡前端安上所謂的星冕儀，來遮蔽恒星的光芒。日冕是太陽大氣的最外層。日全食發(fā)生時(shí)，太陽整個(gè)被月球擋住，可以很容易觀測到日冕。通常情況下，科學(xué)家通過日冕儀來觀測日冕。

俗話說“眼見為實(shí)”，在多種行星探測方法中，直接成像有其獨(dú)特的優(yōu)勢，能給科學(xué)家提供很多有價(jià)值的信息。以行星北落師門b為例，它和原行星盤的相互作用，以及在紅外波段的不可見，對它的質(zhì)量給出了很強(qiáng)的限制。再加上它超常的亮度，科學(xué)家認(rèn)為它可能被一個(gè)質(zhì)量很大的環(huán)形系統(tǒng)所圍繞。

但到目前為止，直接成像觀測到的系外行星數(shù)量并不多。在目前確認(rèn)的系外行星中，采用直接成像發(fā)現(xiàn)的僅為1.2%左右。在現(xiàn)有的觀測技術(shù)條件下，獲得直接成像并不容易。只有在滿足十分嚴(yán)苛的條件下，才最有可能得到直接成像，比如行星很亮、主恒星很暗，且兩者距離很遠(yuǎn)。因此，想要尋找到大規(guī)模的系外行星，直接成像或許并不是一個(gè)好的選擇。

視向速度：多普勒效應(yīng)的另一種應(yīng)用

當(dāng)一輛鳴笛的車正面駛來時(shí)，你會(huì)感覺聲音越來越高亢，而當(dāng)這輛車漸漸遠(yuǎn)去時(shí)，你會(huì)感覺聲音越來越低沉。這就是多普勒效應(yīng)在日常生活中的一個(gè)實(shí)例。

科學(xué)家用視向速度法探測行星時(shí)，同樣也借助了多普勒效應(yīng)。

“行星在圍著恒星繞轉(zhuǎn)，但與此同時(shí)，恒星也在圍繞著兩者的質(zhì)量中心繞轉(zhuǎn)。從而在恒星繞轉(zhuǎn)過程中，朝向或遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致恒星光譜譜線頻率發(fā)生微小的有規(guī)律變化。通過觀察這種微小的變化，在判斷系統(tǒng)為雙星系統(tǒng)的前提下，進(jìn)而推斷出另外一個(gè)天體的質(zhì)量，根據(jù)質(zhì)量從而確定行星的存在。”茍利軍解釋道。

如果將恒星的光散射得足夠開,就會(huì)發(fā)現(xiàn)在恒星的光譜中有一條條亮線，亮線是恒星光譜中的發(fā)射線。當(dāng)恒星朝向或遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)射線的頻率會(huì)向高頻或低頻移動(dòng)，分別被稱為藍(lán)移和紅移，如同聲音頻率的變高和變低。

借助對恒星光譜中發(fā)射線的周期性變化的分析，科學(xué)家們可以推斷出行星存在的證據(jù)。

但是，如果行星質(zhì)量比較小，它造成的恒星光譜移動(dòng)不明顯，很難從微弱的信號中判斷它存在與否。茍利軍指出，此類方法更容易尋找到大質(zhì)量行星，或者是更靠近恒星的行星。

微引力透鏡：發(fā)現(xiàn)離地球最遠(yuǎn)的行星

日前來自美國俄克拉荷馬大學(xué)官網(wǎng)的消息稱，該校天體物理學(xué)團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)了銀河系以外的行星。他們發(fā)現(xiàn)，在距離地球38億光年的RX J1131-1231星系中央，棲息著一群行星，質(zhì)量介于月球和木星質(zhì)量之間。

這是目前發(fā)現(xiàn)的距離地球最遙遠(yuǎn)的一群行星。該團(tuán)隊(duì)研究成員介紹，他們采用微引力透鏡方法，觀測到了這群行星。通過建模數(shù)據(jù)來分析特征信號出現(xiàn)的頻率，從而確定行星的質(zhì)量。

微引力透鏡方法是如何發(fā)現(xiàn)行星的?首先，當(dāng)恒星自身從背景天體前通過時(shí)，微引力透鏡會(huì)讓背景天體在短暫時(shí)間內(nèi)看起來更亮，反映在光度變化曲線上是一個(gè)凸起的波峰。

如果波峰之上疊加著額外的小的波峰，那么說明還有其他小質(zhì)量天體(比如行星)在圍繞著恒星。天文學(xué)家利用這種方法，可以判斷系外行星的存在，分析它的質(zhì)量以及與恒星的距離等參數(shù)。

“微引力透鏡是目前唯一一種能找到距離地球非常遙遠(yuǎn)的行星的方法。但不足在于，觀測到的現(xiàn)象無法重復(fù)，不像其他方法可以多次地進(jìn)行觀測。”茍利軍表示。