全球望远镜“加码”搜寻类地行星

探索频道的望远镜通过感知恒星的摆动来寻找系外行星。资料来源:JEREMY PEREZ

当谈到寻找一个新世界时，美国宇航局的开普勒宇宙飞船经常成为头条新闻:自2009年发射以来，已经发现了数千颗系外行星。但是在开普勒之前，识别系外行星的主要力量是地面仪器。这些设备可以测量由围绕恒星运行的行星的引力引起的恒星微小摆动。现在，它们又悄悄地上升了。新一代的仪器可能足够精确，能够找到地球真正的“孪生兄妹”:一颗与地球质量相同的行星，每年围绕一颗像太阳一样的恒星运行一次。这是开普勒无法做到的——对行星的大小足够敏感，但对质量不够敏感。

2017年12月9日，位于美国亚利桑那州的探索频道望远镜极端精密光谱仪(EXPRES)首次对天空进行了检查。去年10月，浓缩咖啡在智利的ESO望远镜上运行。超过20个其他设备也在建设中或最近开始服务。"现在很清楚，系外行星是天文学的重要组成部分."“因此，每个大型天文台都需要一台高分辨率光谱仪，”宾夕法尼亚州立大学的天文学家杰森·赖特说。

这种分光计将星光分解成一系列光谱颜色。天文学家正在这些谱线中寻找随时间推移的多普勒频移的小振荡(由行星的“拖曳”引起)。

这项技术最适用于围绕恒星运行的巨型行星，因为这些行星的引力更强。因此，早期的发现，如1995年发现的第一颗外行星，通常是“热木星”，一颗在近轨道运行的巨大行星。然后在2003年，在埃索拉西拉天文台出现了高精度径向速度行星搜索器。这是第二代光谱仪，使天文学家能够在更宽的轨道上发现更小的行星。

然而，近年来，以开普勒为首的新一代遍历搜索技术开始占据主导地位。开普勒将“凝视”天空中的145，000颗行星，并寻找行星在恒星前方经过时恒星亮度的下降。尽管开普勒产生了很多东西——识别数千颗系外行星并测量它们的大小，但是这些行星和它们的恒星大多离地面光谱仪太远，无法确定它们的质量。在接下来的一年里，开普勒的“接班人”——传输系外行星探测卫星(TESS)和欧洲系外行星特征观测卫星(CHEOPS)的发射将改变这一切。他们将在天空中搜寻附近明亮恒星被行星穿过的现象，这非常适合在地面上进行后续跟踪。“要了解它们，我们必须了解它们的质量。这绝对是最基本的问题。”加拿大蒙特利尔大学的René Doyon说。

新的光谱仪应该能够测量由TESS和CHEOPS发现的许多行星的质量。天文学家已经大大提高了这类仪器的精度，部分是通过将它们与机械和热噪声分开来实现的。换句话说，分光计被放置在一个与望远镜分开的真空管中，光线通过光纤传输进来。研究人员还改进了参考光谱，以便可以测量谱线的缓慢变化。

像HARPS这样的装置依赖于钍氩产生的参考光谱。然而，它们产生的是一堆不同亮度的谱线。相比之下，新一代光谱仪，包括ESPRESSO和EXPRES，使用激光频率梳。它可以复制激光的单一谱线，形成一个极其精确的参考光栅。

瑞士日内瓦大学的首席科学家弗朗西斯科·佩佩(Francesco Pepe)说，通过这些改进，ESPRESSO的目标是测量每秒10厘米的恒星运动速度(与巨龟的速度大致相同)。这将比HARPS的性能高10倍，是地球的“孪生兄弟”在地球大小的轨道上像太阳一样围绕恒星运行所导致的运动速度。

以这种精度，恒星大气中的脉冲气体可以淹没任何摆动信号。在一些新光谱仪的帮助下，研究人员希望通过比较不同波长范围内的光谱位移来区分这种摆动和噪音。然而，佩佩相信噪音会限制ESPRESSO寻找重量约为地球三四倍的行星。如果恒星质量非常小，并且更容易受到行星“阻力”的影响，ESPRESSO将只能找到与地球大小相同的行星。

其他分光计通过聚焦于一些最小的恒星红矮星来提高它们对较小行星的敏感度。红矮星发出的大部分光是红外线，而地球大气层只允许很窄范围的近红外线波长到达地面。这对仪器制造商提出了挑战。"开发仪器的动力非常强大。"领导团队建造近红外行星搜索器的多杨说。

新一代设备甚至可以加强交叉搜索研究。除了寻找光谱振荡，他们还可能发现恒星星光穿过过境行星大气层时产生的其他谱线。传输光谱仪和现有设备已经揭示了系统外大气中的水和二氧化碳等气体，并利用它们寻找生命迹象。如果新的光谱仪能够描述这些行星的特征，那么这种复兴可能会成为一场革命。(宗华编译)

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