系外行星——圍繞太陽系外恆星公轉的天體

藝術家筆下被吸積盤環繞的一顆年輕恆星。隨著時間推移，吸積盤中的氣體和塵埃會形成系外行星。

開普勒空間望遠鏡發射升空之後沒幾個月，系統還處在適應摸索的階段，一個偶然的機會，發現的閘門突然打開：望遠鏡第一次觀測到了太陽系外與地球大小類似的一顆岩質行星。

這顆系外行星被稱為開普勒10b，具有高溫、質量大的特點，它的出現揭開了系外行星發現的狂潮。在之後短短20年內，我們從屈指可數的幾顆確證的系外行星，到今天已經發現了3300多顆。此外，還有數千顆由開普勒空間望遠鏡發現的候選行星等待確認。

太陽系在銀河系中的相對位置。白色圓圈代表目前望遠鏡觀測到的大部分系外行星所在範圍。

「試運行時我們就檢測到了可能來自540光年外圍繞另一顆恆星旋轉的小型行星的信號。」開普勒團隊的天體物理學家娜塔莉·巴塔拉在談到這個於2011年對外公布的發現時說，「那時候我們第一次意識到，我們將會發現很多這類星球，會發現很多和地球差不多大小的行星。」

自1995年確認發現第一顆圍繞類日恆星公轉的系外行星以來，迄今科學家只調查了為數不多的銀河系切面。即便如此，他們還是找到了許多系外行星聚集地帶。最新的統計學研究估計，在銀河系中，平均每顆恆星都擁有至少一顆行星。這意味著僅僅在銀河系內部，行星的數量就達到了萬億級，其中許多都和地球差不多大小。

「現在我們確切知道小型行星是十分常見的，這在歷史上是首次。」系外行星研究先驅、麻省理工學院的薩拉·西格教授說，「這意義非凡。如果沒有開普勒空間望遠鏡，我們就無法獲取這一信息，而只能隨口說行星無處不在。」

熾熱的木星和搖擺的太陽

1995年發現的系外行星是一顆地表溫度很高的大型氣態行星，大小估計是木星的1/2。它緊緊圍繞著自己的恆星運轉，軌道周期只有4天，導致的恆星搖擺明顯到可以被地球上的望遠鏡捕捉到——只要天文學家將望遠鏡對準它就可以。

發現飛馬座51b揭開了行星探測經典時期的序幕。早期使用恆星搖擺追蹤技術，研究人員接連發現系外行星，其中許多行星都與木星類似，同時具有地面高溫和軌道周期短的特點。

數十億顆恆星點亮了夜空中銀河系的全景，包括天球的全部南北半球。天文學家目前認為，銀河系中每顆恆星都至少具有一顆行星。

搖擺法測定的是恆星的徑向速度。恆星光線的波長隨著旋轉時離地球距離的細微變化不斷受到交替的壓縮和拉伸，這是由圍繞它旋轉的行星產生的引力拖拽造成的。

1995年，歐洲團隊的米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲就是用這種方法發現了飛馬座51b，引發了一場尋找系外行星的競賽。

在隨後的時間裡，發現的系外行星從幾十顆逐漸增長到幾百顆。

確證了飛馬座51b的存在後，保羅·巴特勒和傑夫·馬爾西帶領的舊金山州立大學科研團隊重新查閱了他們收集的徑向速度觀測數據。整個天文學界都沒有料到，恆星周圍的近距離軌道上會存在大型行星。1996年，他們宣布發現兩顆可信度較高的系外行星：處女座70和大熊座47。處女座70的軌道周期是116天，大熊座47的軌道周期是2.5年，而且它們所處的遙遠的恆星系統與太陽系十分相似。這些發現打消了其他天文學家的疑慮。

巴特勒和馬爾西的團隊在接下來的10年中發現了首批公布的100顆系外行星中的至少70顆，成為明星團隊。許多基於地面觀測的科研項目也加入了這場搜尋，將系外行星的數量增加到幾百顆。

然後，新型望遠鏡和新的行星探測方法搶走了他們的風頭。

凝望太空

2009年，美國航空航天局的開普勒空間望遠鏡發射升空，開啟了行星探測的新時代。開普勒空間望遠鏡進入了由地球拖拽的繞太陽運行軌道，然後將鏡頭對準了一小片天空，一觀測就是4年。

這一小片天空包含了大約15萬顆恆星。開普勒空間望遠鏡捕捉的是恆星亮度的微弱變化，這種亮度變化是由行星從恆星前方通過時造成的。目前開普勒空間望遠鏡的觀測結果是：有3300多顆系外行星得到確認，其中2000多顆行星已經從觀測數據中過濾出來，另外還有2400多顆候選行星等待確認。

開普勒空間望遠鏡項目在20世紀90年代經歷了質疑。由美國航空航天局艾姆斯研究中心的威廉·博魯茨基提議的設計四次遭到美國航空航天局的否決，直到2001年，博魯茨基的設計終於獲得了批准。

他的設計理念被證明是正確的。開普勒空間望遠鏡在最初4年中獲得的觀測數據仍然在不斷揭示新行星。但在2013年，它的初次任務不得不因為反力輪失效而終止。

飛馬座51b，第一顆被發現圍繞類日恆星運行的系外行星。它於1995年被發現，從而證實宇宙中其他地方也可以存在類似地球的行星。

瑞士天文學家米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲在智利拉希拉天文台前。兩人於1995年共同發現了第一顆環繞類日恆星的系外行星—飛馬座51b。

為了解決這一問題，開普勒科學團隊想到了一種聰明的方法：利用陽光產生的壓力來穩定望遠鏡的一條軸。同時，這台望遠鏡被改名為「K2」，繼續行星探測之旅，雖然這一次的觀測時間與4年相比縮短了很多。

哈勃空間望遠鏡不僅發現了許多凌星的系外行星，還對其中一部分行星的大氣層進行了分析。行星發生凌星現象時，恆星光線會有一部分被行星大氣層折射。大氣層中的氣體和化學物質會吸收不同波長的光線。通過尋找恆星光譜中缺失的部分，科學家就可以得知系外行星大氣層的化學組成。

另一台觀測設備，美國航空航天局的斯皮策空間望遠鏡，在紅外光區觀測系外行星的凌星現象，並藉此幫助分析測定系外行星大氣層中的許多難解之謎。

斯皮策空間望遠鏡通常和地面望遠鏡協同工作，其中就包括智利拉斯坎帕納斯天文台的OGLE華沙望遠鏡。2015年，斯皮策空間望遠鏡與義大利位於迦納利群島的3.6米口徑伽利略望遠鏡合作，找到了已知最近的岩質行星HD 219134b，距離地球只有21光年。然而遺憾的是，這顆行星的軌道距離它的恆星太近，不適合生命生存。

迄今觀測到的數千顆系外行星里，很多是使用例如凌星法和測量恆星搖擺的方法來發現的。但隨著科學技術的不斷發展，我們已經開始進入行星探測的全新時代：直接顯像。

從左至右分別為：斯皮策空間望遠鏡、開普勒空間望遠鏡和哈勃空間望遠鏡。它們發現了超過1000顆太陽系外的行星。

嗨，系外行星，說「茄子」！

天文學家認為，系外行星探測的未來完全是直接顯像的天下。計劃於2018年發射升空的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，以及仍在設計建造中的大視場紅外巡天望遠鏡，會極大拓展我們捕捉遙遠行星實際圖像的能力，圖像解析度也會提高。

這些新技術會提升太空觀測能力，讓我們能夠捕捉到體積更小的系外行星的圖像。例如，大視場紅外巡天項目會使用內置的日冕儀選擇性地遮擋和處理入射的恆星光線，找出被淹沒在恆星耀眼光線中的行星。

與此類似，空間望遠鏡可以使用叫作「遮星板」的外部設備，該設備正在由噴氣推進實驗室研發。遮星板在太空中展開後是向日葵形，具有棒球場內場大小。空間望遠鏡從上萬千米之外指向遮星板，就可以過濾掉恆星發出的多餘光線，捕捉圍繞該目標恆星公轉的行星圖像。

在接下來的幾十年中，隨著空間望遠鏡體積變大和功能增強，或許我們最終能夠捕捉到另一顆地球的標誌性圖像——一個由大陸、雲層和海洋構成的遙遠世界。

但是，到底什麼才是地球的本質性特徵？我們到底應該望向哪裡，才能找到一個與它相同的宜居星球呢？

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