寻找另一个地球的四大法宝 让开普勒成系外行星猎手

行星Kepler-186f的艺术构想图


行星运动使光谱发生频率红移和蓝移

　　仰望星空，在地球之外，是否还存在宜居的星球？这个问题带给人们无限的遐想。

　　关于宜居行星的探测，不断有好消息传来。在美国国家航空航天局（NASA）宣布利用开普勒项目数据确认找到了一个新“太阳系”后不久，科学家又宣布在38亿光年之遥的太空找到了一群行星，把人们寻找行星的目光拓展到银河系外。

　　开普勒项目是如何寻找行星的？科学家是如何看到遥远行星的？在寻找系外行星的征途上，主要有哪些方法，它们各自有哪些看家本领？科技日报记者就此采访了业内专家。

　　凌星观测：让开普勒成为系外行星猎手

　　开普勒太空望远镜2009年发射升空，是世界首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器。在起初3年半的任务期内，开普勒望远镜就对超过15万个恒星系统展开持续不断的监控，产生了海量数据。

　　对开普勒获取的数据进行分析，科学家们遴选出了众多系外行星“候选者”。来自NASA官网的数据显示，开普勒发现了4496位“候选者”，其中2341颗得到了确认。

　　事实上，目前科学家总共确认的系外行星约为3704颗。由此可见开普勒在壮大系外行星家族的过程中扮演了重要角色，无愧“系外行星猎手”的头衔。

　　行星自身不发光，在耀眼恒星的映衬下，更是难以看见。那么，开普勒是如何“捕获”系外行星的呢？

　　“开普勒主要是通过凌星法，即行星的遮挡效应来进行探测的，这也是目前行星探测的主要方式。”中科院国家天文台研究员苟利军对科技日报记者说道。

　　“金星凌日”是人们通过肉眼就能观测到的凌星现象。金星轨道在地球轨道内侧，某些特殊时刻，地球、金星、太阳会在一条直线上。这时从地球上可以看到，金星就像一个小黑点一样在太阳表面缓慢移动。

　　当一颗行星飞越自己的主恒星前方时，会遮挡一部分主恒星的辐射，从而使得主恒星的亮度看起来降低一些。尽管主恒星最多只有百万分之一的亮度变化，科学家也可以收集到许多有价值的信息。在不用直接看到行星的情况之下，不仅仅可以判断行星的存在，而且在合适的条件之下还可以得到与行星有关的大气信息。

　　苟利军介绍，凌星法可以根据恒星亮度周期性的变化确定系外行星的轨道倾角，从而进一步确定行星质量。凌星法还可以了解行星大气结构。当行星行经其主恒星前方时，主恒星光线便会经过行星的最外层大气。分析此时主恒星的光谱，便能得知行星的大气成分。此外，还可以通过凌星法获取行星的光谱性质，从而分析行星的温度，甚至能侦测到行星上云的形成。

　　凌星法虽然比较高效，但也不是万能的。比如，当行星的轨道面刚好与人们的视线方向相垂直时，在视线方向上，恒星的光不会被行星遮挡，因此探测不到恒星的亮度变化。

　　直接成像：给行星拍个照

　　凌星法是间接获取系外行星存在的证据，有没有办法能一窥系外行星的真身？答案是肯定的，那就是直接成像法。

　　2004年，法国科学家利用欧南台的甚大望远镜直接拍摄到了围绕着一颗褐矮星公转的热木星。这是人类历史上第一次用直接成像法拍摄到的系外行星。苟利军指出，此次恒星较暗，而行星较亮，所以在没有遮挡恒星的情形之下就看到了行星。通常情况下需要把中心恒星的光芒遮挡以后进行观测。

　　如何才能挡住恒星耀眼的光芒，拍摄到隐匿一旁的行星？科学家借助日冕仪原理，在望远镜前端安上所谓的星冕仪，来遮蔽恒星的光芒。日冕是太阳大气的最外层。日全食发生时，太阳整个被月球挡住，可以很容易观测到日冕。通常情况下，科学家通过日冕仪来观测日冕。

　　俗话说“眼见为实”，在多种行星探测方法中，直接成像有其独特的优势，能给科学家提供很多有价值的信息。以行星北落师门b为例，它和原行星盘的相互作用，以及在红外波段的不可见，对它的质量给出了很强的限制。再加上它超常的亮度，科学家认为它可能被一个质量很大的环形系统所围绕。

　　但到目前为止，直接成像观测到的系外行星数量并不多。在目前确认的系外行星中，采用直接成像发现的仅为1.2%左右。在现有的观测技术条件下，获得直接成像并不容易。只有在满足十分严苛的条件下，才最有可能得到直接成像，比如行星很亮、主恒星很暗，且两者距离很远。因此，想要寻找到大规模的系外行星，直接成像或许并不是一个好的选择。

　　视向速度：多普勒效应的另一种应用

　　当一辆鸣笛的车正面驶来时，你会感觉声音越来越高亢，而当这辆车渐渐远去时，你会感觉声音越来越低沉。这就是多普勒效应在日常生活中的一个实例。

　　科学家用视向速度法探测行星时，同样也借助了多普勒效应。

　　“行星在围着恒星绕转，但与此同时，恒星也在围绕着两者的质量中心绕转。从而在恒星绕转过程中，朝向或远离我们的时候，会导致恒星光谱谱线频率发生微小的有规律变化。通过观察这种微小的变化，在判断系统为双星系统的前提下，进而推断出另外一个天体的质量，根据质量从而确定行星的存在。”苟利军解释道。

　　如果将恒星的光散射得足够开，就会发现在恒星的光谱中有一条条亮线，亮线是恒星光谱中的发射线。当恒星朝向或远离我们运动时，发射线的频率会向高频或低频移动，分别被称为蓝移和红移，如同声音频率的变高和变低。

　　借助对恒星光谱中发射线的周期性变化的分析，科学家们可以推断出行星存在的证据。

　　但是，如果行星质量比较小，它造成的恒星光谱移动不明显，很难从微弱的信号中判断它存在与否。苟利军指出，此类方法更容易寻找到大质量行星，或者是更靠近恒星的行星。

　　微引力透镜：发现离地球最远的行星

　　日前来自美国俄克拉荷马大学官网的消息称，该校天体物理学团队首次发现了银河系以外的行星。他们发现，在距离地球38亿光年的RXJ1131-1231星系中央，栖息着一群行星，质量介于月球和木星质量之间。

　　这是目前发现的距离地球最遥远的一群行星。该团队研究成员介绍，他们采用微引力透镜方法，观测到了这群行星。通过建模数据来分析特征信号出现的频率，从而确定行星的质量。

　　微引力透镜方法是如何发现行星的？首先，当恒星自身从背景天体前通过时，微引力透镜会让背景天体在短暂时间内看起来更亮，反映在光度变化曲线上是一个凸起的波峰。

　　如果波峰之上叠加着额外的小的波峰，那么说明还有其他小质量天体（比如行星）在围绕着恒星。天文学家利用这种方法，可以判断系外行星的存在，分析它的质量以及与恒星的距离等参数。

　　“微引力透镜是目前唯一一种能找到距离地球非常遥远的行星的方法。但不足在于，观测到的现象无法重复，不像其他方法可以多次地进行观测。”苟利军表示。