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行星不发光,科学家是如何发现太阳系外的行星的?

什么是系外行星?

系外行星,就是太阳系之外的行星。太阳是恒星,太阳系是一个恒星系统,主要由太阳以及八大行星和其它小天体构成。

太阳系内有金木水火土五大行星,再算上地球、天王星和海王星,总共是八大行星。人类对太阳系的深入探索已经有半个世纪了,人类已经向八大行星分别发射了数十个探测器,其中人类向火星和金星发射的探测器数量最多。通过对太阳系八大行星的研究,科学家们根据相关数据,建立了关于行星的形成及演化理论。

银河系很大,直径大约10万到20万光年,银河系里估计有2000亿颗恒星。太阳是一颗黄矮星,银河系中像太阳这样的黄矮星大约有60亿颗,占银河系恒星总量的3%。银河系中有这么多恒星,按理来说,它们应该也像太阳一样拥有几颗行星。其它种类的恒星也可能拥有行星。

截至目前,人类已经发现了几千颗系外行星,而且其中有少量类似于地球的行星。距离地球最近的恒星是比邻星,光从比邻星到达地球需要4.2年。人类从夜空中只能用肉眼看到6000多颗恒星,由于距离遥远,看到的都是一个闪闪发光的点。行星本身并不会发光,行星虽然会反射恒星的光芒,但是由于恒星之间的距离太遥远,从地球上很难通过天文望远镜直接发现系外行星的存在,那科学家又是通过什么方法发现的呢?

系外行星是如何被发现的?

用天文望远镜直接拍照,显然是不切实际的。既然不能直接发现,那我们就用间接法。常用的主要可以分为两种方式:恒星摆动观测法和行星凌日观测法。

1,恒星摆动观测法

行星除了自转,还在围绕恒星以椭圆轨道做周期运动。普通人眼中,小质量的天体总是在围绕大质量天体运转。实际上,它们在围绕着共同的质心旋转。

以木星例,通常认为木星在绕着太阳旋转,实际上木星和太阳在绕着它们的公共质心旋转(如下图所示)。太阳占太阳系总质量的99.9%,而木星的质量是太阳系内其它七大行星总质量的2.5倍,大约是太阳质量的千分之一。因此,木星和太阳的公共质心位于太阳表面之外,这样太阳便会出现明显的摆动现象。下边动图中的描述显然有点夸张。

关于恒星的摆动,一种是直接追踪恒星在天空中的运动轨迹的微小变来确定行星的存在。2010年发现的系外行星HD176051b,就是借由这种方式发现的。不过这种测量方式运用比较困难。

另一种则是通过测量恒星受行星影响在天空中产生的摆动所引起的恒星光芒的变化,来确定行星的位置和质量。遥远恒星运动时与地球发生远近变化,这会产生多普勒效应。当恒星远离我们时,该恒星的光谱会发生红移;当恒星靠近我们时,该恒星的光谱会发生蓝移。通过测量恒星光谱的微小变化,天文学家就能确认系外行星的存在。目前最先进的光谱仪已经能够检测到1米/秒的速度变化。这种探测方法又被称之为径向速度法。

上图为恒星摆动时产生的多普勒效应。

总结起来,行星对恒星的运动会产生各种影响,会让地球上的观察者看到的恒星的一些属性发生微小的变化,比如亮度、速度、光谱等,通过观测这些变化,以此来确定行星的存在,还可以确认系外行星的一些相关数据。这就是恒星摇摆观测。

这是目前卓有成效的方法,许多系外行星都是通过这种方法被发现的。不过,这种方法只能寻找质量较大且比较靠近恒星的行星,质量较小的行星对恒星产生的影响极其微弱,很难检测到。目前的技术,只能够发现200光年内的恒星变化。理论上来说,只要仪器足够灵敏,就可以检测到更远处恒星的变化。

2,行星凌日观测法

行星凌日这种现象,在太阳系内就可以看得到。在地球轨道内还有水星和金星,在地球上就可以看到水星凌日或金星凌日这种天文现象,条件是恒星、行星和观测者三者基本上处于同一直线上。

以水星凌日为例,水星的公转周期为88天,太阳、水星、地球排成一条直线,这种现象一个世纪平均发生13次。不过由于银河系中恒星众多,行星的数量应该更多,观测到这种现象的几率就大多了。

如图所示,水星凌日和金星凌日现象,太阳表面好像出现了一个很大的黑子。

当行星在观察者的视线中通过恒星表面时,会遮挡一部分恒星的光线,这会引起恒星的亮度发生变化,由此便可以确认行星的存在。若我们知道恒星的相关数据,还可以用该方法确认行星的直径。不过这种方法也有缺陷,有时候可能是其它天体遮挡了该恒星的光线,因此往往需要配合其它观测方法来验证行星的存在。这是人类发现系外行星的重要方法之一。

行星凌日时还会产生另一种效应——引力透镜效应,这是相对论中的成果。比如太阳就能弯折背景恒星发出的光(当星光通过太阳附近时,理论上会发生1.75角秒的偏折),形成引力微透镜。行星也能够对恒星的光线产生弯曲。不过这种变化实在太微小了,行星对光线的偏折角更微小,因此这种测量方法目前只停留在理论上,实际应用非常困难。

上图为引力透镜效应示意图。

3,其它方式

此外,行星的运动还会使恒星的视亮度发生改变,恒星的实际亮度并不会改变。行星的引力能够使恒星发出的光线产生变化,进而影响到恒星的视亮度。地球上的精密仪器接收到的亮度会发生微小的变化,通过检测这种亮度变化也能确定行星的存在。不过这种测量方式也非常困难。

综上所述,由于行星几乎不发光,根本原理还是通过观测恒星来确认行星的存在,因为行星的存在必然会影响到恒星。这就是科学上常见的间接观测法。

系外行星的发现史

在很久以前,天文学家就相信,宇宙中一定存在着与太阳系类似的恒星系统,而且还有可能存在与地球类似的行星,还可能存在与地球生命类似的生命,因为宇宙实在太大了。

直到上世纪90年代,随着天文观测技术的革新(主要是因为人类发射了太空望远镜),硬件达到了应有的水平,天文学家开始证实脑中的想法,第1批系外行星也就在这个时期被发现了。到了新世纪,天文学家发现的系外行星的数量越来越多,我们更有理由相信,宇宙中行星的数量非常庞大,宇宙中一定存在别的生命。

如图所示,系外行星Kepler 186 f 的假想图。

在这个观测过程中,天文学家发现了一些不围绕任何恒星旋转的行星,这些天体拥有行星般的大小,我们可以把它称之为流浪行星。

截至目前,天文学家已经发现了4000来颗系外行星。 NASA曾于2009年发射了专门用于探测系外行星的望远镜——开普勒太空望远镜,已于2018年退役。该望远镜可以观测10万颗恒星的光度,用来检查是否有行星凌日现象发生。仅开普勒太空望远镜就发现了1000多颗系外行星。

以目前的技术水平,人类也就只能观测银河系内很小范围内的系外行星。希望人类有一天可以冲出太阳系,直接向最近的系外行星发射探测器。

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