藝術家繪製的係外行星TOI-700 d、c、b和宿主星想象圖。

如果未來地球資源枯竭了，我們(men) 該走向何方？人類作為(wei) 地球上唯一的智慧生物，在那一天到來之前，就已經提前開始為(wei) 自己尋覓退路了。

身邊的“兄弟”

讓我們(men) 暫時不考慮目前星際旅行的實際困難，如果先要定一個(ge) 目的地，會(hui) 是哪兒(er) 呢？很多人想說移民火星。

首先，火星和地球的自轉周期十分相似，自轉一周約24小時37分鍾，而地球自轉一周約23小時56分。火星上的一天隻比地球上的一天多了41分鍾，兩(liang) 者有著幾乎相同的晝夜交替現象。其次，火星和地球的公轉方式很相似，火星也是傾(qing) 斜著繞太陽運轉的，兩(liang) 者有著幾乎相同的季節變化。

圖1 與(yu) 地球非常相似的火星。火星在各個(ge) 方麵與(yu) 地球的相似性使它早在20世紀就成為(wei) 人類星際移民計劃中的首選對象，但實際上，火星目前的情況並不適合人類居住。現在的火星十分荒涼，到處都是沙漠，人們(men) 還沒有在火星表麵上發現可用的液態水。而且，火星上的大氣非常稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因此根本無法保存熱量，這也導致火星表麵溫度非常低，平均溫度為(wei) -63℃，在夜晚，最低溫度會(hui) 至-153℃。如果人類想要移居火星，至少先要花費大量的時間和資源去改造火星。

遠方的“地球”

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火星不適宜人類居住，人們(men) 又將目光投向了太陽係之外。宇宙浩瀚無邊，天文學家也一直在尋找適宜人類生存的星球。當然，在星球的選擇上，都是以地球作為(wei) 藍本的。搜尋“另一個(ge) 地球”的關(guan) 鍵，就是要找到一顆與(yu) 地球類似的行星。

圖2 截至目前，部分已經測得（或估計出）公轉周期及質量的係外行星的探測方法一覽。

然而，係外行星並不容易被發現，主要有兩(liang) 個(ge) 原因：第一，係外行星距離地球很遠，很難被觀測到；第二，係外行星距離其宿主星很近時，宿主星很亮，而行星自身又不會(hui) 發光，所以就會(hui) 顯得很小、很暗，很難被發現。

不過，天文學家想了很多辦法，正在源源不斷地發現係外行星。從(cong) 1992年發現第一顆係外行星開始，到現在總共約30年的時間內(nei) ，天文學家已發現並確認的係外行星超過了4000顆。

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01

尋“球”路徑1：淩星法

絕大多數係外行星都是使用淩星法發現的。像地球圍繞太陽公轉一樣，係外行星也在圍繞其宿主星進行公轉運動。所謂淩星法，是指係外行星在圍繞其宿主星轉動時，有時會(hui) 在地球和其宿主星之間經過，這時觀測宿主星就會(hui) 發現，宿主星所發出的光會(hui) 因行星的遮擋而出現小幅變暗的現象，在行星經過後，會(hui) 觀測到宿主星又恢複到原有亮度。而且，行星圍繞宿主星的公轉運動是周期性的，因此每隔一段時間，這顆宿主星的觀測亮度會(hui) 短暫變暗，後又恢複。如果我們(men) 在持續觀測一顆恒星時發現恒星的亮度有周期性短暫變暗的現象，那麽(me) 在那顆恒星附近就可能存在著一顆行星。

致力於(yu) 搜尋係外行星的重要望遠鏡之一——開普勒望遠鏡——采用的便是淩星法。

圖3 淩星法觀測到的宿主星亮度變化情況示意圖。

開普勒望遠鏡的探測結果徹底改變了人們(men) 對係外行星的認識。天文學家認為(wei) 在銀河係中行星的數量不計其數，大約每顆恒星周圍都有一顆行星。在開普勒望遠鏡已發現的係外行星中，某些行星也許就有可能孕育生命，例如開普勒452b。開普勒452b的直徑約為(wei) 地球的1.6倍，它圍繞著恒星開普勒452運行，它們(men) 之間的距離適中，這樣的距離使得開普勒452b的地表上可能存在液態水。開普勒452b是最接近地球狀態的宜居行星之一，而且這顆行星比地球年長，有足夠的時間孕育出高級智慧生命體(ti) ，因此部分天文學家認為(wei) 這顆行星上很可能存在外星生命。但在2018年，費加·穆拉利（Fergal Mullally）等人也曾發表論文表示，考慮到觀測儀(yi) 器的各項影響，開普勒452b的存在仍未被確認，頂多隻能算是候選係外行星。

圖4 藝術家對開普勒452b行星表麵可能風景的想象圖。（Danielle Futselaar）

盡管開普勒望遠鏡已光榮退休，但地球人的尋“球”任務仍在繼續。

2018年4月發射升空的“淩星係外行星巡天衛星（TESS）”已實現完美交接，它和開普勒望遠鏡一樣，也使用淩星法來搜尋係外行星。2020年年初，美國航天局宣布TESS發現了一顆地球大小且位於(yu) 宜居帶內(nei) 的係外行星，並將其命名為(wei) TOI-700d。這顆係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行，公轉周期約37天。宿主星的質量和大小約是太陽的40%，TOI-700d從(cong) 宿主星接收到的熱量約是地球從(cong) 太陽接收到的熱量的80%。至於(yu) TOI-700d是否真的宜居，還需要進一步更細致地探測研究。

圖5 尋找係外行星另一利器——淩星係外行星巡天衛星。

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超鏈接：開普勒望遠鏡

開普勒望遠鏡由美國航天局在2009年發射。它一直“盯”著天鵝座、天琴座和天龍座交界處的一片天區，這個(ge) 區域內(nei) 大概有15萬(wan) 顆恒星，開普勒的任務就是采用淩星法搜尋在這些恒星周圍潛在的係外行星。

2013年5月，開普勒望遠鏡用於(yu) 精確聚焦的反應輪發生故障，無法再指向正確的方向，被迫停止搜尋係外行星的任務。不過，開普勒團隊想到了一個(ge) 絕妙的解決(jue) 方案，可以使用剩餘(yu) 的兩(liang) 個(ge) 反應輪繼續執行任務：利用陽光來使望遠鏡保持平衡。在太陽的幫助下，開普勒望遠鏡煥發了第二次生機。美國航天局將新任務命名為(wei) K2，在2014年5月底開始觀測。K2任務持續了4年，2018年10月，開普勒望遠鏡因能源耗盡而正式“退休”。

02

尋“球”路徑2：視向速度法

除了淩星法，視向速度法也是用來搜尋係外行星的一個(ge) 重要方法。

在太陽係中，地球之所以圍繞太陽轉動是因為(wei) 受到太陽的引力作用，但同時，太陽也會(hui) 受到地球等行星的引力作用而小幅度晃動。這樣的現象同樣發生在其他行星係統中，係外行星作用到其宿主星上的引力也會(hui) 使宿主星前後晃動。受行星的引力拖拽作用，在我們(men) 的視線方向上，宿主星有時會(hui) 向著靠近地球的方向移動，有時又會(hui) 向著遠離地球的方向移動，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。

雖然這種晃動幅度極其小，很難看出來，但是天文學家卻可以利用恒星的光譜來檢測。光譜，即我們(men) 接收到的恒星發出的光形成的頻率譜。當恒星靠近地球時，我們(men) 接收到恒星發出的光的頻率會(hui) 變高，光譜會(hui) 向著頻率更高的藍端移動；當恒星遠離地球時，接收到的光的頻率會(hui) 變低，光譜會(hui) 向著頻率更低的紅端移動。這種現象就是多普勒效應。在我們(men) 觀測恒星時，如果發現某顆恒星的光譜有這種周期性向藍端和紅端移動的變化，那麽(me) 在它周圍可能就存在著行星。

歐洲空間局發射的蓋亞(ya) 天文衛星就是利用視向速度法來探測係外行星的。它的主要任務是對銀河係內(nei) 數十億(yi) 顆恒星進行精確地觀測，測量它們(men) 的位置、距離和運動情況等，由此也可以發現圍繞著這些恒星繞轉的係外行星。

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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係外行星的重要方法——微引力透鏡法。

微引力透鏡現象是指以背景恒星為(wei) 光源，當觀測者和背景恒星之間有一個(ge) 大質量天體(ti) 經過時，大質量天體(ti) 就像一個(ge) 透鏡體(ti) ，由於(yu) 它的引力作用，背景恒星發出的光在經過它附近時會(hui) 發生偏折，由此導致背景恒星會(hui) 在這段時間內(nei) 變得很亮。

圖7 微引力透鏡法發現係外行星示意圖。（K.Sahu）而將這種現象應用於(yu) 係外行星的探測時，恒星和其周圍可能存在的行星構成的係統就充當了大質量天體(ti) 的角色，它們(men) 就像透鏡體(ti) ，能夠放大背景遙遠恒星所發出的光。如果在這個(ge) “透鏡體(ti) ”中存在圍著恒星繞轉的行星，那麽(me) 我們(men) 在探測背景恒星的光變曲線時就會(hui) 發現異常，這個(ge) 異常信號便是行星所造成的，由此便可以推測作為(wei) 透鏡體(ti) 的係統中可能存在行星。

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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係外行星的方法，是通過它可能會(hui) 引起的一些現象間接推測它的存在，後續還需要精確認證。俗話說眼見為(wei) 實，如果我們(men) 能夠直接看見係外行星，並把它拍攝成照片，那麽(me) 誰也不能否認我們(men) 發現了係外行星，這就是直接成像法。

不過，係外行星距離我們(men) 太遙遠了，要想直接看到一顆自身不發光的行星實在是太難了。這至少需要滿足兩(liang) 個(ge) 條件：第一，這顆行星必須特別大，因為(wei) 行星靠反射宿主星的光而發光，行星越大，反射的光就越多，看起來就會(hui) 越亮，我們(men) 就越容易看到它；第二，這顆行星需要離宿主星特別遠，因為(wei) 離宿主星很近的話，它就會(hui) 被恒星的光輝淹沒掉，我們(men) 就無法看到它。由於(yu) 條件苛刻，目前已發現的4000多顆係外行星中隻有幾十顆是直接成像觀測到的。

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在宜居行星的搜尋中，天文學家始終充滿著信心。雖然我們(men) 已經探測到了大量係外行星，其中也不乏某些方麵與(yu) 地球的情況十分相似的行星，但是嚴(yan) 格來講，還沒有一顆係外行星可以稱得上是“另一個(ge) 地球”，目前談論“太空移民”也還為(wei) 時尚早。當下我們(men) 需要做的，仍然是好好地珍惜我們(men) 賴以生存的地球，保護好我們(men) 唯一的家園。

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END

責任編輯 馮(feng) 翀

2021 · 《天文愛好者雜誌》4月刊~

作者：楊冰 趙婷婷

來源：《天文愛好者》


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