系外行星真相

编译 刘声远

太阳系外的行星是什么模样？科学家才刚开始有所知道

科学家发现的系外行星（太阳系以外的行星）数量，就像涓涓细流已变成滚滚洪流。从发现第一颗系外行星以来才不过20几年，地面和空间观测技术的进步就让已发现的系外行星数量飙升至2000颗以上。这些系外行星中包括“热木星”“超级地球”及其他奇异类型的行星。这些在太阳系中没有的行星类型，逼迫科学家把他们有关行星系统形成和演化的理论推倒重来。

然而，对系外行星的发现又可以说是刚刚才开始。在系外行星的搜寻方面，科学家正强力推进又一个重要阶段：查明这些世界长得什么模样。大多数搜寻系外行星的技术，除了能告诉我们行星质量、大小和轨道参数外，能揭示的其他信息少之又少。系外行星究竟是像地球这样的岩石行星，还是像木星那样的气态巨行星？系外行星的温度很高还是很低？系外行星的大气层由什么组成？它们的大气成分中，像水、甲烷和氧这样的分子的比例是否独特而又不稳定，因而可能是生命活动的迹象？

要想探寻诸如此类问题的答案，科学家能够使用的唯一可靠工具就是光谱学：运用光谱学，科学家能分析直接来自行星表面的光线的波长，或者穿过行星大气层的光线的波长。每种元素或分子通过光谱摄像仪都会产生一个特殊的“线条”模式——光发射造成的尖峰，或在已知波长的光吸收造成的骤降。这样一来，通过观察一个遥远天体的光谱线，科学家就能解读这个天体上有什么物质。

但光谱学通常要求能清楚看见物体，这对系外行星来说几乎不可能。通常，我们是看不见系外行星的。不过，当一颗系外行星正面经过其所环绕的母恒星（太阳就是地球的母恒星）时，母恒星亮度会极小程度地降低，这就暗示了系外行星的存在。另外，虽然系外行星不可见，但其引力会造成其母恒星很轻微地前后摇晃，而这种摇晃也揭示了系外行星的存在。科学家经常说，要想探索系外行星，就好比是凝视一盏探照灯（恒星），并且试图发现一只在探照灯附近飞的萤火虫。

然而，在观测系外行星方面，科学家近年来已有一些进展。当系外行星正面经过其母恒星时，一些科学家提取了穿透系外行星大气层的光线的光谱。这相当于当一只萤火虫掠过探照灯的光柱时，测量萤火虫的翅膀颜色。另一些科学家则想法阻挡母恒星的光线，从而得以看见位于遥远轨道中的系外行星，直接记录它们的光谱。

过去3年中，科学家开始记录来自新一代定制天文观测仪的光谱。位于智利帕切翁山顶峰的南双子座望远镜（直径8.1米）的“双子座行星成像仪”，就是一台新一代定制天文观测仪。正在研发的多部太空望远镜和地面望远镜，都把系外行星光谱作为首选探测目标。而科学家更渴望的是美国宇航局的“詹姆斯·韦伯太空望远镜”（简称JWST），它将于2018年发射，届时它将以前所未有的光采集能力和灵敏度实施探测。

对于那些希望深入了解系外行星的科学家来说，目前正是时候。美国斯巴鲁望远镜（位于美国夏威夷岛死火山莫纳克亚山上）项目科学家库里说：“我们正处在一个时代的开端，那就是深入探索太阳系以外的行星世界。这是天文学的又一场新革命。”

凌日光谱学

1995年，科学家发现了环绕一颗类太阳恒星（与太阳相似的恒星）运行的第一颗系外行星。当时，瑞士日内瓦天文台的科学家梅耶和奎罗兹发现，飞马座51号星有一种规则的前后晃动。他们下结论说，这种晃动是由一颗行星的引力导致的，这颗行星的质量是地球的至少150倍（差不多等于木星质量的一半），每4天环绕母恒星（即飞马座51号星）一圈。随着系外行星探索热潮的兴起，其他有关系外行星的发现接踵而至，这让望远镜经理人划拨更多的观测时间给系外行星探索者。

随着发现的系外行星越来越多，在位于美国马萨诸塞州坎布里奇的“哈佛-史密森尼天体物理中心”工作的科学家沙博诺灵光闪现。他想到，当一颗行星“凌日”（即从恒星正前方经过）时，行星大气层中的分子会吸收恒星的一些星光，行星大气分子的光谱指纹因此留在了星光中。那么，有无可能探查这些指纹呢？

行星“HD-209458b”（想象图）

为找到答案，沙博诺决定搜寻钠。他解释说，钠并非特别丰富，但钠的光谱特征很鲜明——激发态钠分子会发射两条很强的光线，钠街灯发出明亮的橘红光就是这个原因。当钠被背光照射，穿越它的光会在光谱中的相同点位留下暗色条带。沙博诺希望，这些条带会相对容易被发现。

沙博诺想的没错。他的团队2002年宣布，使用哈勃太空望远镜，他们探查到了来自一颗木星大小的系外行星——HD 209458（距离地球150光年）的钠信号。这既是对一颗系外行星的大气层首次进行探测，又是对系外行星大气层进行首次光谱学测量。此后短短几年内，基于太空的凌日观测记录了更多完整的光谱，探查到了诸如一氧化碳和水蒸气之类的气体。

沙博诺说，运用这种技术意味着寻找恒星光谱中极微小的改变，改变幅度或许只有万分之一。对于探索系外行星的科学家来说，“哈勃”是首选工具，原因是：“哈勃”不受光线被地球大气层气体吸收影响，所以“哈勃”获得的光谱很干净，容易解读。但对“哈勃”观测时间的竞争很激烈，因此科学家也要使用地面望远镜。

利用地面望远镜进行观测，的确必须对付大气层干扰，但可以通过采集比“哈勃”能采集的星光更多的星光，来克服这个难题。这让科学家能探查光线微弱的天体，并且更明确地分离单个光谱特征。由于大多数系外行星都位于相对于地球而移动的恒星系统中，地面观测获得了回报。沙博诺说，恒星星光的波长发生多普勒频移，这意味着来自这些波长的辐射被恒星运动拉伸或压缩，它们的光谱线略微偏离地球大气层中对应的光谱线。因为这两套光谱线不再重叠，所以科学家能确定究竟有多少信号来自于系外行星。运用这种技术，科学家能探查到只占一颗行星大气层10万分之一的气体。

对凌日光谱学技术的一种延伸，让科学家得以测量反射自一颗行星表面的光线。他们做到这一点，是在行星从母恒星正面完全经过后，即在行星位于自己轨道的远端、行星被母恒星星光照亮的一面朝向地球的情况下。虽然科学家依然不能看见一颗与恒星分开的单独的行星，但他们知道行星光谱与恒星光谱是合并在一起的。稍后不久，行星会跑到恒星背后，被恒星完全遮掩。于是，科学家从测量行星光谱与恒星光谱的合并光谱转到单独测量恒星光谱，两者的差异就能揭示行星的情况。当然，这一过程远非说的这么简单明了，而是非常复杂、非常艰难，但它能够测量一颗近距离环绕母恒星、木星大小的系外行星的红外光光谱，哪怕这颗行星的亮度只有其母恒星的0.1%也行。

这项技术的另一个更具雄心的应用，就是在一个完整轨道中跟踪一颗系外行星。减去在行星被遮挡期间获得的恒星光谱，科学家就能得到从薄薄月牙形态（当行星刚刚结束凌日时）变到半月形态（当行星位于恒星侧面时）、再到满月形态（当行星位于自己轨道远端）的行星大气光谱。这让他们能制作相对细化的行星大气层及其随时间变化地图。加拿大麦吉尔研究院（位于蒙特利尔）科学家考恩的团队2012年宣布，他们使用这项技术，并且运用来自美国宇航局斯皮策太空望远镜的红外数据，证明系外行星HD 189733b的表面最高温出现在其赤道大约10°以内，这与预测值吻合。从那以来，其他科学家运用“哈勃”和“斯皮策”的数据，绘制了更详细的系外行星大气层地图。考恩说，在JWST升空后，绘制一颗热木星的3D地图将变得很容易。

凌日光谱学其实也有缺陷。一些系外行星的云层光谱几乎没有任何特征，因为这些云层由液滴或细小尘埃微粒组成，它们不以孤立分子那样的方式在光谱中留下的自己的印记。沙博诺说，这些云层的确让人很头痛。科学家无法直接测量这些云层的构成，只是知道它们阻挡光线。它们不见得由水蒸气组成。沙博诺指出，一颗云遮雾绕的系外行星——超级地球GJ 1214b是如此炽热，以至于它的云层有可能由硫化锌和氯化钾组成。在温度更高的系外行星上，云层甚至可能包含铁或岩石的液滴。

美国康奈尔大学卡尔·萨根研究院院长丽莎，指出了凌日测量方法的另一个缺陷。她说，当光线击中一颗凌日行星，光线不只是被吸收，还会在行星大气层中被扭曲，这让我们不可能在地球上看见系外行星。这种扭曲叫作折光。大气层越稠密，折光越厉害。丽莎说，如果外星科学家试图获得地球的光谱学读数，折光会把他们能探测的深度限制到地表以上最多10千米，而地球的大部分水都位于地球大气层最下面10千米，与此类比，要想在一颗类地球系外行星上发现水，恐怕难上加难。

直接成像

寻找和研究系外行星的另一种方法，是试图阻挡恒星星光，直接拍摄系外行星，这相当于把一只手放在探照灯前方来寻找萤火虫。这方面的初期尝试都以失败告终：就算最暗的母恒星，也比系外行星亮得多。成功的秘诀，在于寻找偏离了探照灯并且比较明亮的萤火虫。这种“萤火虫”，就是形成后依然在高热中发光、在远离母恒星的轨道中绕行的年轻行星。2008年，两个科学团队宣布对系外行星的的直接拍照首次成功，其中包括环绕HR 8799星、年龄约为6000万年的3颗行星，以及环绕北落师门（南鱼座主星，全天第18亮星）、年龄超过1亿年的一颗行星。

系外行星“HR 8799b”（想象图）

“HR 8799”行星系统示意图

为获取这些系外行星的光谱，科学家转向了自适应光学。这种技术能修正由地球大气层涡流造成的恒星星光闪烁，从而让寻找恒星附近的系外行星变得容易得多。同样重要的，是在望远镜光学通道中插入阻挡恒星星光的阀板（圆盘），并且用复杂的信号处理器对图像进行数字化加工。

麦金托西是美国斯坦福大学科学家和系外行星HR 8799的发现者之一。他说，直接拍摄行星光谱是一种很美妙的技术，它能告诉我们有关行星本身和行星形成过程的大量信息。麦金托西团队2011年报告说，运用一部第一代直接成像仪器（它只能观测温度高于一个限定值的系外行星），他们首次在一颗系外行星上探查到了水蒸气。麦金托西目前是“双子座行星成像仪”主要调查员。这部成像仪再加上与之相似的“光谱-偏振测定高对比度系外行星调查成像仪”（简称SPHERE，位于欧洲南方天文台的特大望远镜），是直接拍摄和测定温度更低的系外行星光谱的第二代成像仪。

2014年11月，双子座成像仪发起了为期多年的、对环绕炽热年轻恒星的类木星行星的搜寻。对波江座51号星（一颗年龄约为2000万年的恒星）的初期观测，发现了一颗类木星系外行星——波江座51b，它距离其母恒星是木星距离太阳的2.5倍远。光谱显示，波江座51b的大气层中含有比其他系外行星更多的甲烷（木星大气层中的一种已知化合物）。库里说，波江座51b及其他新发现的系外行星令人兴奋之处，在于我们是在它们的光谱看起来“只有一点点更正常”的情况下看见它们的。与那些更年轻、温度更高的恒星周围的行星（极度缺乏甲烷）相比，这些系外行星更像是木星。这可能很有助于我们了解行星形成过程。关于行星形成过程的现有理论，基本上都是基于在太阳系中获得的数据。

SPHERE已经展开了一项类似的探索，但这项始于2015年2月的探索起步较晚，探索成果相对也较少。巴黎天文台科学家安东尼说，SPHERE迄今为止最有趣的发现，是一组共5个正在高速离开微镜座AU（一颗年轻恒星，以异常容易出现耀斑及其他活动闻名）的气团。安东尼还说，他们并不清楚这些气团是什么。

“特大望远镜”

恒星调查

“凌日系外行星调查卫星”（示意图）

与自己的早期日子相比，系外行星光谱学已经走过了很长一段路。回首当初，系外行星探索者们困于从嘈杂环境中抽取极微弱的信号。首批探测结果常常问题多多。丽莎说，目前在系外行星探索方面的成果一般都站得住脚，经得起重复调查。

更新一代系外行星探测仪器有望取得更多发现。美国宇航局的“凌日系外行星调查卫星”（简称TESS）定于2017年8月发射，它将花两年时间搜寻在太阳系附近对超过20万颗最明亮恒星进行凌日的系外行星。系外行星也是JWST的探测目标。凭借自己的6.5米望远镜和先进仪器，JWST将会看见比只有2.4米望远镜的“哈勃”能看见的更多的东西。麦金托西预计，TESS和JWST的巡天探测时间将长达5年之久。

其他两个尚未获批的太空任务，也将使用系外行星光谱学。美国宇航局的“宽视场红外调查望远镜”预计于2025年前后发射，它将用大部分时间探索宇宙学问题，但也可能发现和研究大约2600颗系外行星。库里说，它应该能拍摄环绕附近恒星的类木星行星，但对于和冥王星或假想存在于太阳系边缘的“X行星”相似的较小、温度较低的天体，这部望远镜依然鞭长莫及。麦金托西说，需要一部10米的太空望远镜，才可能更好地探索类地球系外行星。

第二项任务是“大气遥感红外系外行星大型调查”（简称ARIEL），也是欧空局计划在2026年发射的3项中级任务候选对象之一。这部直径1米的太空望远镜将致力于凌日光谱学调查，主要对象是温度高于一定值的系外行星。

大约10年后，科学家希望见到3座超大型望远镜的建造完成，它们分别是：位于智利拉斯坎帕纳斯的“巨型麦哲伦望远镜”（直径24.5米）、位于夏威夷莫纳克亚山的“30米望远镜”和位于智利塞鲁阿玛逊斯山的“欧洲超大望远镜”。这3座望远镜都将配备自适应光学系统。可以肯定，它们将进行系外行星光谱学调查，以测试基于一些所获数据而建立的多个模型。

沙博诺说，要想在更宽的宇宙范围内寻找生命，这些测量可能将为科学家提供第一个真正的机会，“我如此兴奋”。

引力透镜

前述所有探测系外行星的方法，一般人在一定程度上靠直觉都能理解。虽然科学家利用引力透镜已经发现了为数不多的系外行星，但这种方法需要更多抽象思维才能理解。

设想一颗距离我们很远的恒星，以及另一颗位于它和地球之间的恒星。在为数很少的时候，这两颗恒星在地球夜空中会几乎重叠。在这种情况下，距离我们较近的那颗恒星的引力就像是充当了一面透镜。来自那颗遥远恒星的星光，在经过那颗较近恒星附近并朝着我们而来的过程中，会被较近恒星所充当的透镜放大。如果是附近有一颗行星的一颗恒星充当透镜，行星引力场可能会对放大效果有一点点但又可探查到的贡献。于是，在某些罕见情况下，科学家能通过系外行星放大更遥远恒星星光的方式，来推测系外行星的存在。

(本文图片大部分引自美国宇航局）