天文学家多管齐下揭示系外行星真实面貌

开普勒186f，第一颗已知的地球大小的外行星，位于恒星的可居住区

资料来源:美国航天局艾姆斯

找到的涓涓细流已经变成了激流。

自从发现最早的行星围绕其他恒星运行以来的20年里，由于地面和太空仪器的不断改进，这个数字已经飙升:现在已经超过了2000颗。这些发现包括热木星、超级地球和其他与太阳系没有相似之处的恒星，并促使天文学家从根本上重新思考他们关于行星系统如何形成和演化的理论。

然而，这一发现才刚刚开始。天文学家正积极地向外行星研究的关键阶段迈进:揭开这些世界的真相。大多数寻找系外行星的技术除了揭示行星的质量、大小和轨道之外，作用甚微。然而，它是由像地球一样的岩石构成的，还是像木星一样的气态巨行星？天气异常炎热还是处于深度冰冻状态？它的大气是由什么构成的？这种大气是否含有诸如水、甲烷、氧气等分子。以奇怪和不稳定的比例存在并可能成为生命迹象？

透射光谱学

1995年发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。当时，瑞士日内瓦天文台的天文学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹探测到了飞马座51号恒星旋转的周期性来回摆动。他们得出结论，这是由一颗质量至少是地球150倍、木星近一半的行星造成的。它大约每4天绕飞马座51号运行一次。随着对系外行星的搜索急剧增加，其他发现接踵而至，促使望远镜管理者为寻找行星提供更多的观察时间。

很快，一长串的发现激发了哈佛-史密森纳天体物理中心天文学家大卫·夏博诺的想法。他得出结论，当一颗行星经过一颗恒星前面时，其大气中的分子会吸收部分恒星的光，并在上面留下光谱“指纹”。

夏博诺说，使用这项技术意味着寻找恒星光谱中极其微小的变化。哈勃太空望远镜过去是，现在也是首选仪器:它不会干扰地球大气中气体对光的吸收，因此光谱非常清晰，易于解释。然而，观测时间的竞争极其激烈，因此天文学家也开始使用地面望远镜。

这些望远镜确实必须处理大气干扰，但是它们可以通过收集比哈勃太空望远镜更多的光来克服这一点。这使得地面望远镜能够探测到更暗的恒星，并更清晰地分离出单独的光谱特征。这一努力获得了回报，因为大多数系外行星都在相对于地球运动的恒星系统中。"因此，它们的波长符合多普勒效应."夏博诺说，这意味着它们的辐射因其运动而膨胀或压缩，从而导致光谱线与地球大气中相应的光谱线略有偏移。由于两组谱线不再重叠，观察者可以确定有多少信号来自系外行星。通过这种方式，天文学家在一颗行星的大气中只探测到十万分之一的气体。

光谱传输技术的扩展使天文学家能够测量从行星表面反射的光。他们在这颗行星穿过其母星表面后进行了测量。在这一点上，行星位于其轨道的远端，在它面对地球的一天的一侧。加拿大麦吉尔空间研究所的天文学家尼古拉斯·考恩说，观测者不能把它当作一个单一的物体，但是他们知道它的光谱是和母星的光谱结合在一起的。不久，行星将从恒星后面经过并被覆盖。考恩说，此刻，“从一颗行星和一颗恒星到只有一颗恒星。如果你测量通量的差异，你就能知道有多少光来自那个星球。”这个过程要求很高，但是它可以测量一颗大小与木星相似的行星的红外光谱，并且该行星的轨道非常靠近这颗恒星，即使它的亮度不到这颗恒星的0.1%。

直接成像

寻找和研究系外行星的另一种方法是试图阻挡恒星发出的光并直接对它们成像。这类似于在探照灯前伸出一只手寻找萤火虫。早期在这方面的努力是徒劳的:即使是最微弱的母星也比系外行星亮得多。成功的秘诀是找到远离探照灯的更明亮的“萤火虫”——即年轻的行星，它们在远离母星的轨道上产生的热量会发光。2008年，两个研究小组首次宣布通过直接成像发现系外行星。这些恒星包括围绕恒星HR 8799运行的三颗行星，其历史约为6000万年，以及围绕“北落门”运行的一颗行星，其历史超过1亿年。“北落门”是一颗距离地球大约8秒的明亮恒星。

为了获得这些类星体的光谱，天文学家求助于自适应光学仪器。这项技术可以校正地球大气中湍流造成的恒星闪烁，并使其更容易在附近找到任何外行星。同样必要的是插入望远镜光路的圆盘来阻挡恒星光，以及通过数字技术锐化图像的复杂信号处理器。

"直接成像光谱学很漂亮，告诉你很多关于行星和它们是如何形成的."斯坦福大学天文学家、HR 8799行星群的共同发现者布鲁斯·麦金托什说。2011年，他和他的同事报告说，第一代直接成像设备首次在其中一颗行星上探测到水蒸气。当时，这些设备只能观测温度超过1000开尔文的系外行星。现在，麦金塔是双子座行星成像仪的负责人。该设备和位于智利的欧洲南方天文台的超大型望远镜都是第二代仪器，旨在直接对低至600开氏度的系外行星成像并收集光谱。

明星调查

下一代仪器有望揭示更多信息。美国宇航局的地外跃迁观测卫星(TESS)定于明年8月发射，将花两年时间寻找太阳系附近导致20多万颗最亮恒星跃迁的系外行星。同时，系外行星也是詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的目标。JWST有一架直径6.5米的望远镜和先进的仪器。它应该比直径为2.4米的哈勃望远镜观察到更多的信息。

另外两项计划中但尚未获得批准的太空探索任务将使用系外行星光谱。美国宇航局的2.4米宽的红外探测望远镜预计在20世纪20年代中期发射。尽管它将花费大部分时间回答宇宙学问题，但仍有望发现和研究大约2600颗系外行星。夏威夷莫纳克亚的日本昴宿星望远镜项目的天文学家特恩·库里说，该望远镜应该能够拍摄到围绕附近恒星运行的类似木星的行星，尽管一些较冷的较小恒星仍然遥不可及。这些恒星类似于冥王星，或者假设的“行星X”，被认为位于太阳系的边缘。

第二项任务是对系外行星进行大规模大气遥感调查(ARIEL)。这是欧空局将于2026年启动的三个中型候选项目之一。1m望远镜将致力于研究渡越光谱和研究温度超过500开尔文的系外行星。

大约10年后，天文学家希望看到三个超级望远镜完工:智利拉斯坎帕纳天文台的24.5米巨型麦哲伦望远镜，计划在莫纳基亚建造的30米望远镜，以及在智利塞拉亚内斯建造的欧洲超级望远镜。所有三台望远镜都将配备自适应光学系统，测量结果将使天文学家第一次真正有机会在更广阔的宇宙中发现生命。夏波诺对此表示，“我非常兴奋”。(宗华)

《中国科学新闻》(国际，第三版，2016年3月9日)

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