藝術(shù)家繪制的系外行星TOI-700 d、c、b和宿主星想象圖。

如果未來(lái)地球資源枯竭了，我們?cè)撟呦蚝畏?？人類作為地球上唯一的智慧生物，在那一天到?lái)之前，就已經(jīng)提前開(kāi)始為自己尋覓退路了。

身邊的“兄弟”

讓我們暫時(shí)不考慮目前星際旅行的實(shí)際困難，如果先要定一個(gè)目的地，會(huì)是哪兒呢？很多人想說(shuō)移民火星。

首先，火星和地球的自轉(zhuǎn)周期十分相似，自轉(zhuǎn)一周約24小時(shí)37分鐘，而地球自轉(zhuǎn)一周約23小時(shí)56分?；鹦巧系囊惶熘槐鹊厍蛏系囊惶於嗔?1分鐘，兩者有著幾乎相同的晝夜交替現(xiàn)象。其次，火星和地球的公轉(zhuǎn)方式很相似，火星也是傾斜著繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)的，兩者有著幾乎相同的季節(jié)變化。

圖1 與地球非常相似的火星?；鹦窃诟鱾€(gè)方面與地球的相似性使它早在20世紀(jì)就成為人類星際移民計(jì)劃中的首選對(duì)象，但實(shí)際上，火星目前的情況并不適合人類居住。現(xiàn)在的火星十分荒涼，到處都是沙漠，人們還沒(méi)有在火星表面上發(fā)現(xiàn)可用的液態(tài)水。而且，火星上的大氣非常稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因此根本無(wú)法保存熱量，這也導(dǎo)致火星表面溫度非常低，平均溫度為-63℃，在夜晚，最低溫度會(huì)至-153℃。如果人類想要移居火星，至少先要花費(fèi)大量的時(shí)間和資源去改造火星。

遠(yuǎn)方的“地球”

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火星不適宜人類居住，人們又將目光投向了太陽(yáng)系之外。宇宙浩瀚無(wú)邊，天文學(xué)家也一直在尋找適宜人類生存的星球。當(dāng)然，在星球的選擇上，都是以地球作為藍(lán)本的。搜尋“另一個(gè)地球”的關(guān)鍵，就是要找到一顆與地球類似的行星。

圖2 截至目前，部分已經(jīng)測(cè)得（或估計(jì)出）公轉(zhuǎn)周期及質(zhì)量的系外行星的探測(cè)方法一覽。

然而，系外行星并不容易被發(fā)現(xiàn)，主要有兩個(gè)原因：第一，系外行星距離地球很遠(yuǎn)，很難被觀測(cè)到；第二，系外行星距離其宿主星很近時(shí)，宿主星很亮，而行星自身又不會(huì)發(fā)光，所以就會(huì)顯得很小、很暗，很難被發(fā)現(xiàn)。

不過(guò)，天文學(xué)家想了很多辦法，正在源源不斷地發(fā)現(xiàn)系外行星。從1992年發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星開(kāi)始，到現(xiàn)在總共約30年的時(shí)間內(nèi)，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)的系外行星超過(guò)了4000顆。

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01

尋“球”路徑1：凌星法

絕大多數(shù)系外行星都是使用凌星法發(fā)現(xiàn)的。像地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)一樣，系外行星也在圍繞其宿主星進(jìn)行公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。所謂凌星法，是指系外行星在圍繞其宿主星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有時(shí)會(huì)在地球和其宿主星之間經(jīng)過(guò)，這時(shí)觀測(cè)宿主星就會(huì)發(fā)現(xiàn)，宿主星所發(fā)出的光會(huì)因行星的遮擋而出現(xiàn)小幅變暗的現(xiàn)象，在行星經(jīng)過(guò)后，會(huì)觀測(cè)到宿主星又恢復(fù)到原有亮度。而且，行星圍繞宿主星的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是周期性的，因此每隔一段時(shí)間，這顆宿主星的觀測(cè)亮度會(huì)短暫變暗，后又恢復(fù)。如果我們?cè)诔掷m(xù)觀測(cè)一顆恒星時(shí)發(fā)現(xiàn)恒星的亮度有周期性短暫變暗的現(xiàn)象，那么在那顆恒星附近就可能存在著一顆行星。

致力于搜尋系外行星的重要望遠(yuǎn)鏡之一——開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡——采用的便是凌星法。

圖3 凌星法觀測(cè)到的宿主星亮度變化情況示意圖。

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)結(jié)果徹底改變了人們對(duì)系外行星的認(rèn)識(shí)。天文學(xué)家認(rèn)為在銀河系中行星的數(shù)量不計(jì)其數(shù)，大約每顆恒星周圍都有一顆行星。在開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡已發(fā)現(xiàn)的系外行星中，某些行星也許就有可能孕育生命，例如開(kāi)普勒452b。開(kāi)普勒452b的直徑約為地球的1.6倍，它圍繞著恒星開(kāi)普勒452運(yùn)行，它們之間的距離適中，這樣的距離使得開(kāi)普勒452b的地表上可能存在液態(tài)水。開(kāi)普勒452b是最接近地球狀態(tài)的宜居行星之一，而且這顆行星比地球年長(zhǎng)，有足夠的時(shí)間孕育出高級(jí)智慧生命體，因此部分天文學(xué)家認(rèn)為這顆行星上很可能存在外星生命。但在2018年，費(fèi)加·穆拉利（Fergal Mullally）等人也曾發(fā)表論文表示，考慮到觀測(cè)儀器的各項(xiàng)影響，開(kāi)普勒452b的存在仍未被確認(rèn)，頂多只能算是候選系外行星。

圖4 藝術(shù)家對(duì)開(kāi)普勒452b行星表面可能風(fēng)景的想象圖。（Danielle Futselaar）

盡管開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡已光榮退休，但地球人的尋“球”任務(wù)仍在繼續(xù)。

2018年4月發(fā)射升空的“凌星系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）”已實(shí)現(xiàn)完美交接，它和開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡一樣，也使用凌星法來(lái)搜尋系外行星。2020年年初，美國(guó)航天局宣布TESS發(fā)現(xiàn)了一顆地球大小且位于宜居帶內(nèi)的系外行星，并將其命名為TOI-700d。這顆系外行星比地球稍大一些，距離地球大約100光年，圍繞著一顆紅矮星運(yùn)行，公轉(zhuǎn)周期約37天。宿主星的質(zhì)量和大小約是太陽(yáng)的40%，TOI-700d從宿主星接收到的熱量約是地球從太陽(yáng)接收到的熱量的80%。至于TOI-700d是否真的宜居，還需要進(jìn)一步更細(xì)致地探測(cè)研究。

圖5 尋找系外行星另一利器——凌星系外行星巡天衛(wèi)星。

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超鏈接：開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡

開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡由美國(guó)航天局在2009年發(fā)射。它一直“盯”著天鵝座、天琴座和天龍座交界處的一片天區(qū)，這個(gè)區(qū)域內(nèi)大概有15萬(wàn)顆恒星，開(kāi)普勒的任務(wù)就是采用凌星法搜尋在這些恒星周圍潛在的系外行星。

2013年5月，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡用于精確聚焦的反應(yīng)輪發(fā)生故障，無(wú)法再指向正確的方向，被迫停止搜尋系外行星的任務(wù)。不過(guò)，開(kāi)普勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)想到了一個(gè)絕妙的解決方案，可以使用剩余的兩個(gè)反應(yīng)輪繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)：利用陽(yáng)光來(lái)使望遠(yuǎn)鏡保持平衡。在太陽(yáng)的幫助下，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡煥發(fā)了第二次生機(jī)。美國(guó)航天局將新任務(wù)命名為K2，在2014年5月底開(kāi)始觀測(cè)。K2任務(wù)持續(xù)了4年，2018年10月，開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡因能源耗盡而正式“退休”。

02

尋“球”路徑2：視向速度法

除了凌星法，視向速度法也是用來(lái)搜尋系外行星的一個(gè)重要方法。

在太陽(yáng)系中，地球之所以圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)是因?yàn)槭艿教?yáng)的引力作用，但同時(shí)，太陽(yáng)也會(huì)受到地球等行星的引力作用而小幅度晃動(dòng)。這樣的現(xiàn)象同樣發(fā)生在其他行星系統(tǒng)中，系外行星作用到其宿主星上的引力也會(huì)使宿主星前后晃動(dòng)。受行星的引力拖拽作用，在我們的視線方向上，宿主星有時(shí)會(huì)向著靠近地球的方向移動(dòng)，有時(shí)又會(huì)向著遠(yuǎn)離地球的方向移動(dòng)，這樣就造成了宿主星視向速度的變化。

圖6 視向速度法示意圖。

雖然這種晃動(dòng)幅度極其小，很難看出來(lái)，但是天文學(xué)家卻可以利用恒星的光譜來(lái)檢測(cè)。光譜，即我們接收到的恒星發(fā)出的光形成的頻率譜。當(dāng)恒星靠近地球時(shí)，我們接收到恒星發(fā)出的光的頻率會(huì)變高，光譜會(huì)向著頻率更高的藍(lán)端移動(dòng)；當(dāng)恒星遠(yuǎn)離地球時(shí)，接收到的光的頻率會(huì)變低，光譜會(huì)向著頻率更低的紅端移動(dòng)。這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)。在我們觀測(cè)恒星時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)某顆恒星的光譜有這種周期性向藍(lán)端和紅端移動(dòng)的變化，那么在它周圍可能就存在著行星。

歐洲空間局發(fā)射的蓋亞天文衛(wèi)星就是利用視向速度法來(lái)探測(cè)系外行星的。它的主要任務(wù)是對(duì)銀河系內(nèi)數(shù)十億顆恒星進(jìn)行精確地觀測(cè)，測(cè)量它們的位置、距離和運(yùn)動(dòng)情況等，由此也可以發(fā)現(xiàn)圍繞著這些恒星繞轉(zhuǎn)的系外行星。

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03

尋“球”路徑3：微引力透鏡法

還有一種更加間接探測(cè)系外行星的重要方法——微引力透鏡法。

微引力透鏡現(xiàn)象是指以背景恒星為光源，當(dāng)觀測(cè)者和背景恒星之間有一個(gè)大質(zhì)量天體經(jīng)過(guò)時(shí)，大質(zhì)量天體就像一個(gè)透鏡體，由于它的引力作用，背景恒星發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)它附近時(shí)會(huì)發(fā)生偏折，由此導(dǎo)致背景恒星會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)變得很亮。

圖7 微引力透鏡法發(fā)現(xiàn)系外行星示意圖。（K.Sahu）而將這種現(xiàn)象應(yīng)用于系外行星的探測(cè)時(shí)，恒星和其周圍可能存在的行星構(gòu)成的系統(tǒng)就充當(dāng)了大質(zhì)量天體的角色，它們就像透鏡體，能夠放大背景遙遠(yuǎn)恒星所發(fā)出的光。如果在這個(gè)“透鏡體”中存在圍著恒星繞轉(zhuǎn)的行星，那么我們?cè)谔綔y(cè)背景恒星的光變曲線時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)異常，這個(gè)異常信號(hào)便是行星所造成的，由此便可以推測(cè)作為透鏡體的系統(tǒng)中可能存在行星。

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04

尋“球”路徑4：直接成像法

以上幾種方法都是間接探測(cè)系外行星的方法，是通過(guò)它可能會(huì)引起的一些現(xiàn)象間接推測(cè)它的存在，后續(xù)還需要精確認(rèn)證。俗話說(shuō)眼見(jiàn)為實(shí)，如果我們能夠直接看見(jiàn)系外行星，并把它拍攝成照片，那么誰(shuí)也不能否認(rèn)我們發(fā)現(xiàn)了系外行星，這就是直接成像法。

不過(guò)，系外行星距離我們太遙遠(yuǎn)了，要想直接看到一顆自身不發(fā)光的行星實(shí)在是太難了。這至少需要滿足兩個(gè)條件：第一，這顆行星必須特別大，因?yàn)樾行强糠瓷渌拗餍堑墓舛l(fā)光，行星越大，反射的光就越多，看起來(lái)就會(huì)越亮，我們就越容易看到它；第二，這顆行星需要離宿主星特別遠(yuǎn)，因?yàn)殡x宿主星很近的話，它就會(huì)被恒星的光輝淹沒(méi)掉，我們就無(wú)法看到它。由于條件苛刻，目前已發(fā)現(xiàn)的4000多顆系外行星中只有幾十顆是直接成像觀測(cè)到的。

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在宜居行星的搜尋中，天文學(xué)家始終充滿著信心。雖然我們已經(jīng)探測(cè)到了大量系外行星，其中也不乏某些方面與地球的情況十分相似的行星，但是嚴(yán)格來(lái)講，還沒(méi)有一顆系外行星可以稱得上是“另一個(gè)地球”，目前談?wù)摗疤找泼瘛币策€為時(shí)尚早。當(dāng)下我們需要做的，仍然是好好地珍惜我們賴以生存的地球，保護(hù)好我們唯一的家園。

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END

責(zé)任編輯 馮翀

2021 · 《天文愛(ài)好者雜志》4月刊~

作者：楊冰 趙婷婷

來(lái)源：《天文愛(ài)好者》


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