系外行星探测方法

系外行星探测方法 系外行星是围绕太阳以外恒星运行的行星或行星系 统。太阳以外的恒星距离地球都比较远，例如距离地球最近 的南门二（被称为比邻星）到地球的距离也达4.22 光年，比 太阳远 27 万多倍！因此，探测系外行星很不容易。系外行 星的探测方法分为两类：地面观测和空间探测。早期探测都 在地面进行，使用的方法是天文观测中常用的方法。 天体测量法 精确测量恒星在天空的位置及观测其位置 随时间的变动。如果恒星周围有一颗行星，则行星引力将使 恒星在一条微小的圆形轨道上出现移动。利用这种方法，需 要观测数年乃至数十年才能得出结果。 视向速度法 此方法与天体测量法相似，即利用恒星在 行星引力作用下在一条微小的圆形轨道上的移动。但是，此 方法是运用多普勒效应测出恒星在观测者视线方向上的运 动速度，测量原理是恒星光谱线的“红移”或“蓝移” （请 参见相关链接： 《多普勒效应与“红移” 》 ） 。这个方法是迄今 为止在地面寻找系外行星方面用得最多的一种。 凌日法 当金星或水星从太阳与地球之间穿过，把太阳 表面光线挡住，使太阳表面出现一个黑点时，就出现金星凌 日或水星凌日现象。同样，系外行星从其母恒星前面穿过， 从而遮挡母恒星表面光线时，也会出现“凌日”现象。对这 种现象进行观测，就可以发现系外行星的存在。使用“凌日 法”可估计行星直径。 “凌日法”与“视向速度法”联用， 有助于估计行星的真实质量。然而，行星从其母恒星和地球 之间穿过时，其光度减弱程度与母恒星及行星大小有关，一 般情况下光度减弱都不大， 例如 HD 209458 的光度只下降了 1.7%，这样的光度变化很难测量出来。 脉冲计时法 脉冲星是一种旋转速度特别快、具有极其 稳定的旋转周期的星。这种星的发现本身就是天文学上的新 成果，更何况在它周围发现了围着它旋转的行星，因而这一 方法倍受关注。脉冲星是超新星爆发以后留在原地的超高密 度的中子星，能发射出极有规律的快速电磁脉冲。这种天体 与其他天体一样，转动速度也可受绕其转动的行星影响，因 此，通过测量其脉冲的变动，就可以估计其行星性质。与其 他方法相比，这个方法灵敏度极高，能测量出只相当于 0.1 个地球质量的行星和行星系统内彼此之间的引力扰动。用这 种方法可以得到有关行星本身、行星轨道等多方面的资料。 但由于脉冲星稀少， 用这种方法不容易发现大量行星。 再者， 脉冲星附近有极强的高能辐射，因而它们周围很难有生命存 在。 引力微透镜法 引力微透镜是引力透镜的一种。所谓引 力透镜，是指远方星球的光线经过大质量天体附近时发生改 变，出现类似透镜的放大效应。如果作为透镜的天体拥有行 星，行星引力会对透镜现象造成可测量的影响。这个方法对 探测位于地球和星系中心之间的行星特别有效，因为星系中 心可以提供大量背景星。但这种现象只在两个天体和地球几 乎成一直线时才出现，由于地球与星球的相对位置时时刻刻 都在改变，所以透镜事件只能维持几天至几周的时间，观测 它时还需要精确对准目标！此外，要发现行星造成的引力微 透镜现象，需要检测大量背景星。 采用引力透镜法寻找系外行星，首先是由美国普林斯顿 大学波兰藉天文学家玻丹?帕琴斯基提出的。2002 年，他和 安杰依?乌戴斯基等人在光学重力透镜实验方面发展了一套 新技术。应用这套技术，他们发现了几颗疑似行星（但未能 证实） 。4 年后，他们用这个方法确认了 4 颗系外行星。 引力微透镜法是唯一可用来观测围绕主序星公转、质量 与地球相近的行星的方法，但由于星球之间的直线排列几乎 不能重复出现，所以透镜效果不能重复观测，这是这个方法 的显著缺点。此外，用这种方法发现的系外行星往往位于数 千光年外，因此它们的观测结果不可能用其他方法重新观 测。不过，在有足够背景星和测量精度的情况下，这个方法 对于展示星系间地球型系外行星的普遍性是有意义的。目 前，这种观测常用机器人望远镜进行。除了美国宇航局和美 国国家科学基金会设立的专门机构外，天体物理引力微透镜 观测机构还在改进观测技术。引力透镜探测网和相关机构雄 心勃勃，它们借助分布于全球的望远镜网络试图做到几乎全 天候观测，以便找出与地球质量相近的系外行星。目前，使 用这种方法已成功地发现了首个低质量大轨道天体 OGLE-2005-BLG-390Lb。 星盘法 很多恒星周围具有尘埃组成的盘。太阳系附近 的恒星中，15%以上存在尘埃盘。盘中尘埃吸收星光后，能 以红外线形式向外辐射，因此，星盘可以观测。即使尘埃总 质量不及地球，但由于它们的表面积总和很大，所以仍可辐 射出可观测的红外线。一般认为，这些尘埃由彗星或小行星 碰撞而成，由恒星的辐射压将它们推到星际空间，因此尘埃 盘是恒星拥有彗星或小行星的间接证据。在一些情况下，尘 埃盘还可以直接显示行星存在。有些尘埃盘中有空洞，或者 形成了团状，表示那里有行星在“清理”轨道，或尘埃受到 行星引力影响。红外线可用地面红外望远镜观测，也可用空 间飞行器上的红外望远镜测量。美国宇航局的“哈勃空间望 远镜”和“斯皮策太空望远镜”都进行过相关的测量。 直接摄影法 由于行星光线比其母恒星光线暗得多，系 外行星一般被其母恒星所掩没，所以系外行星几乎不能被直 接发现。但在一些特殊情况下，例如体积特别大（明显大于 木星） ，与其母恒星的距离较大，以及温度较高、能发出强 烈红外线的较年轻的系外行星，用现代望远镜也可直接得到 其影像。 2004 年 7 月， 利用欧洲南方天文台的超大望远镜阵， 天文学家在智利拍摄到棕矮星2M1207及其行星2M1207b的 影像。2005 年 12 月证实，2M1207b 是一个系外行星，其质 量比木星高几倍，轨道半径在 40 天文单位以上。现在，用 这个方法已拍摄到 GQ Lupi b、AB Pictoris b 和 SCR 1845 b 这三个疑似系外行星的天体。 空间探测是近年来发展的一项新技术，由于它避免了地 球大气层的干扰，能得到更高灵敏度，比地面观测更有利， 因而倍受天文学家青睐。美国宇航局和欧洲空间局为此相继 制订了“类地行星搜索者号” （TPF）计划。2006 年 2 月， 因为财政限制，美国宇航局宣布无限期搁置这一计划。但仅 仅 4 个月后，美国众议院拨款委员会就恢复了该项目的部分 拨款。同年 12 月 27 日，欧洲空间局的第一颗探索太阳系外 行星的专用卫星“考鲁特” （COROT）升空。该卫星重 626 千克，长度为 4.2 米，翼展长度为 9 米，主要任务是寻找太 阳系外与地球类似的行星。这颗卫星上搭载有一部 30 厘米 口径的天文望远镜和两台照相机，能够观测到体积为 2～3 个地球大小的太阳系外岩石行星。 “考鲁特”在地面以上 896 千米的极轨（即轨道倾角近似 90 度）上运行，对大约 12 万 颗恒星进行观测和研究，飞行时间在 3 年以上。在飞行时间 内，它还可以探测恒星内部震动波产生的恒星亮度变化，从 而帮助天文学家精确计算恒星质量、年龄和化学成分。 “考 鲁特”的发射，大大加快了系外类地行星的研究步伐。 另一部空间探测器是“开普勒太空望远镜” 。它由美国 宇航局在 2009 年 3 月 6 日发射，质量为 1039 千克，口径为 95 厘米，主镜直