张家港科技馆:系外行星探索

张家港科技馆信息员 摘自中国科普网

2019-10-28

什么叫系外行星

太阳系外行星(简称系外行星,英语:extrasolar planet或exoplanet)泛指在太阳系以外的行星。历史上天文学家一般相信在太阳系以外存在着其它行星,然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至1990年代人类才首次确认系外行星的存在,而自2002年起每年都有超过20个新发现的系外行星。现时估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星。

如何能找到系外行星

目前比较主流的方法有凌日法、视向速度法、直接成像法。    

凌日法。这是迄今为止使用最广泛、也是搜寻到系外行星数目最多的方法。它的基本原理是通过观察恒星亮度的细微变化来判断有无行星存在。当行星从宿主恒星前经过时,因为恒星表面被遮挡,而导致探测到的光度下降。著名的开普勒等空间望远镜就是采用的这种方法。据说,如果开普勒空间望远镜指向地球的话,它的灵敏度足以捕捉到夜晚一户人家熄灯。

视向速度法。如果恒星周围存在一颗行星,恒星和行星围绕它们共同的质心运动,由多普勒效应可以知道:当恒星远离我们时,恒星光谱的波长会变长,产生红移;当恒星靠近我们时,恒星的光谱的波长会变短,产生蓝移。利用恒星光谱的这种周期性变化可以推测出恒星周围是否存在着行星。诺贝尔奖获得者米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹就是基于这种方法发现了飞马座51b。

直接成像法。前面介绍的两种方法均为间接探测的方法,当然也可以通过直接对系外行星成像来探测它是否存在,例如,哈勃空间望远镜曾利用直接对系外行星成像发现了北落师门b的踪迹,即将发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜也采用了这种方法。国内正在筹备中的“觅音”计划也将采用直接成像法来搜寻系外行星。不过,与JWST的技术路线不同,“觅音”计划将采用分布式望远镜阵列空间编队的构型,在中红外波段进行合成孔径光干涉成像,实现空间高分辨率成像和光谱观测。值得一提的是,“觅音”计划空间望远镜的分辨能力将比JWST还要高一个数量级,可以更好地帮助天文学家发现更多的系外行星,并引领和推动国内系外行星科学领域的发展。

除了以上这三种主流方法外,还有引力透镜法、脉冲星法、天体测量法等。

国际上都有哪些系外行星搜寻计划

自从意识到系外行星的存在,并在1992年第一颗系外行星被证实之后,科学家们便制定了许多著名的系外行星搜寻计划,并利用多个大型地面望远镜和空间望远镜进行系外行星的探测,例如,美国夏威夷的Keck望远镜、日本建在夏威夷的Subaru望远镜、欧洲南方天文台位于智利的VLT望远镜,以及以美国为主的Gemini双子望远镜等大型地面望远镜。它们对系外行星搜寻与研究都作出了重要贡献。

由于大气层的湍流与散射限制了地面望远镜的观测能力,为了摆脱地面条件的限制,科学家们专门设计了空间望远镜,以获得更加清晰的观测图像与更宽波段的光谱信息。美国国家航空航天局2009年发射的开普勒空间望远镜,在它整个生命周期内共发现了2345颗已被证实的系外行星,为系外行星科学作出了里程碑式的贡献。另外,美国国家航空航天局发射的Hubble空间望远镜、Spitzer空间望远镜,以及2018年发射的TESS空间望远镜等都在系外行星的搜寻与研究方面取得了许多重要成果。未来也期待着30米光学地面望远镜、JWST,以及我国的“觅音”计划空间望远镜将不断推进和拓展系外行星科学这一研究领域。

找到系外行星有什么意义

系外行星搜索可以回答“地球之外是否存在智慧生命?”这一困扰人类已久的问题。尽管以目前人类掌握的技术水平,从地球飞到离我们最近的系外行星,即便是最快的飞船也要飞行数十万年。因此,许多科学家对于移居系外行星持悲观态度。米歇尔·马约尔所说的“人类将永远不会迁移到太阳系以外的行星”,因为到达那里需要太长的时间。不过,笔者相信通过人类的不断努力,科技的不断进步,在未来的某一天我们终会找到宇宙中那颗有着特殊意义的系外行星,它可能是另一种文明的存在,也可能是适合我们人类生存的第二个家园,正如“觅音”计划的初心和使命:在浩瀚宇宙中寻觅人类的知音。

苏联火箭之父和现代宇航学奠基人康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基曾说过,当太阳走向灭亡的时候,以人类的智慧,会从一个太阳系迁移到另一个太阳系,生命没有止境,进程永久不断。

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