尋找另一個地球 科學家有四大法寶

發佈時間： 2018-03-02 14:05:27   |  來源： 科技日報   |  責任編輯： 郭江

行星Kepler-186f的藝術構想圖

行星運動使光譜發生頻率紅移和藍移

仰望星空，在地球之外，是否還存在宜居的星球?這個問題帶給人們無限的遐想。

關於宜居行星的探測，不斷有好消息傳來。在美國國家航空航太局(NASA)宣佈利用開普勒項目數據確認找到了一個新“太陽系”後不久，科學家又宣佈在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。

開普勒項目是如何尋找行星的?科學家是如何看到遙遠行星的?在尋找係外行星的征途上，主要有哪些方法，它們各自有哪些看家本領?科技日報記者就此採訪了業內專家。

淩星觀測：讓開普勒成為係外行星獵手

開普勒太空望遠鏡2009年發射升空，是世界首個用於探測太陽系外類地行星的飛行器。在起初3年半的任務期內，開普勒望遠鏡就對超過15萬個恒星系統展開持續不斷的監控，産生了海量數據。

對開普勒獲取的數據進行分析，科學家們遴選出了眾多係外行星“候選者”。來自NASA官網的數據顯示，開普勒發現了4496位“候選者”，其中2341顆得到了確認。

事實上，目前科學家總共確認的係外行星約為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“係外行星獵手”的頭銜。

行星自身不發光，在耀眼恒星的映襯下，更是難以看見。那麼，開普勒是如何“捕獲”係外行星的呢?

“開普勒主要是通過淩星法，即行星的遮擋效應來進行探測的，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記者説道。

“金星淩日”是人們通過肉眼就能觀測到的淩星現象。金星軌道在地球軌道內側，某些特殊時刻，地球、金星、太陽會在一條直線上。這時從地球上可以看到，金星就像一個小黑點一樣在太陽表面緩慢移動。

當一顆行星飛越自己的主恒星前方時，會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。儘管主恒星最多只有百萬分之一的亮度變化，科學家也可以收集到許多有價值的資訊。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的大氣資訊。

茍利軍介紹，淩星法可以根據恒星亮度週期性的變化確定係外行星的軌道傾角，從而進一步確定行星品質。淩星法還可以了解行星大氣結構。當行星行經其主恒星前方時，主恒星光線便會經過行星的最外層大氣。分析此時主恒星的光譜，便能得知行星的大氣成分。此外，還可以通過淩星法獲取行星的光譜性質，從而分析行星的溫度，甚至能偵測到行星上雲的形成。

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

直接成像：給行星拍個照

淩星法是間接獲取係外行星存在的證據，有沒有辦法能一窺係外行星的真身?答案是肯定的，那就是直接成像法。

2004年，法國科學家利用歐南臺的甚大望遠鏡直接拍攝到了圍繞著一顆褐矮星公轉的熱木星。這是人類歷史上第一次用直接成像法拍攝到的係外行星。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後進行觀測。

如何才能擋住恒星耀眼的光芒，拍攝到隱匿一旁的行星?科學家借助日冕儀原理，在望遠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。日全食發生時，太陽整個被月球擋住，可以很容易觀測到日冕。通常情況下，科學家通過日冕儀來觀測日冕。

俗話説“眼見為實”，在多種行星探測方法中，直接成像有其獨特的優勢，能給科學家提供很多有價值的資訊。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，對它的品質給出了很強的限制。再加上它超常的亮度，科學家認為它可能被一個品質很大的環形系統所圍繞。

但到目前為止，直接成像觀測到的係外行星數量並不多。在目前確認的係外行星中，採用直接成像發現的僅為1.2%左右。在現有的觀測技術條件下，獲得直接成像並不容易。只有在滿足十分嚴苛的條件下，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。因此，想要尋找到大規模的係外行星，直接成像或許並不是一個好的選擇。

視向速度：多普勒效應的另一種應用

當一輛鳴笛的車正面駛來時，你會感覺聲音越來越高亢，而當這輛車漸漸遠去時，你會感覺聲音越來越低沉。這就是多普勒效應在日常生活中的一個實例。

科學家用視向速度法探測行星時，同樣也借助了多普勒效應。

“行星在圍著恒星繞轉，但與此同時，恒星也在圍繞著兩者的品質中心繞轉。從而在恒星繞轉過程中，朝向或遠離我們的時候，會導致恒星光譜譜線頻率發生微小的有規律變化。通過觀察這種微小的變化，在判斷系統為雙星系統的前提下，進而推斷出另外一個天體的品質，根據品質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,就會發現在恒星的光譜中有一條條亮線，亮線是恒星光譜中的發射線。當恒星朝向或遠離我們運動時，發射線的頻率會向高頻或低頻移動，分別被稱為藍移和紅移，如同聲音頻率的變高和變低。

借助對恒星光譜中發射線的週期性變化的分析，科學家們可以推斷出行星存在的證據。

但是，如果行星品質比較小，它造成的恒星光譜移動不明顯，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品質行星，或者是更靠近恒星的行星。

微引力透鏡：發現離地球最遠的行星

日前來自美國俄克拉荷馬大學官網的消息稱，該校天體物理學團隊首次發現了銀河系以外的行星。他們發現，在距離地球38億光年的RX J1131-1231星系中央，棲息著一群行星，品質介於月球和木星品質之間。

這是目前發現的距離地球最遙遠的一群行星。該團隊研究成員介紹，他們採用微引力透鏡方法，觀測到了這群行星。通過建模數據來分析特徵信號出現的頻率，從而確定行星的品質。

微引力透鏡方法是如何發現行星的?首先，當恒星自身從背景天體前通過時，微引力透鏡會讓背景天體在短暫時間內看起來更亮，反映在光度變化曲線上是一個凸起的波峰。

如果波峰之上疊加著額外的小的波峰，那麼説明還有其他小品質天體(比如行星)在圍繞著恒星。天文學家利用這種方法，可以判斷係外行星的存在，分析它的品質以及與恒星的距離等參數。

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