探测系外星系

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探测系外星系



人类对行星的了解极其有限。从古至今，人们的脚步只存在于地球与月球之上，最多对太阳系内的岩石行星展开比较细致的研究。而遥远的地外行星，它们位于连探测器飞去都至少需要十年的地方，自然了解比局限，更别说太阳系之外那广阔的天地了。地球在浩瀚的宇宙中只是沧海一粟，还有无穷无尽的奇异等待着我们去探索。

  引子

系外星系的总体情况



太阳系外行星，简称为系外行星，指位于太阳系外的行星。截至目前，已有超过5000个系外行星被我们发现。由于技术限制，它们基本都位于银河系之内。最常见的系外行星是气态巨行星，类似于木星或海王星，因为大质量的行星比较容易被观察到，大约占2/3；而还有一些相对比较轻的系外行星，质量只有地球的几倍，由岩石组成（或混合质），也被称为超级地球。除此之外，便是数量最稀少的，与地球相似的“类地行星”。



系外星系的探测方法

相较于恒星，行星反射散发的光芒十分黯淡，在可见光的波长通常只有母恒星百万分之一的亮度，因此寻找系外行星相当困难。以下是几种被普遍采用的检测系外行星的方法：



01

脉冲星

计时法

脉冲星是超新星爆炸后留下来超高密度的中子星，会随着自转不断发出极为有规律的电磁波脉冲，而这些脉冲的轻微异常便能显示它遭遇的情况。脉冲星会受其行星影响而运动，因此尽管这种方式最开始并不是为寻找系外行星而设计的，但依旧对其产生了巨大影响。

优势：其敏感度是各方法之中最高，足以侦测到质量只有地球十分之一的行星。同时，脉冲星计时法可以侦测到行星系统内相互的重力扰动，故可以得到更多有关行星及其轨道的信息。人类正是靠这种方式确认了首个系外行星。

劣势：脉冲星比较稀有，所以难以用这方法发现大量行星。而且因为脉冲星附近有极强的高能量辐射，这些行星的表面环境大多比较恶劣。



由于行星发射的光芒十分微弱，直接发现系外行星几乎是不可能的。但在一些特殊情况下，现代的望远镜可以直接得到系外行星的影像，比如当它们体积极大，距离母恒星较远或较为年轻而释放强烈的红外线时。

优势：直接探测误差极小，干扰因素少

劣势：条件要求苛刻，需要技术支持

02

直接影像法

03

微引力

透镜法

恒星的重力场会产生像透镜一样的微透镜并放大遥远背景恒星的光。环绕在恒星较远位置的行星会导致探测到的恒星光度随着时间的推移产生异常放大。

优势：对距离母恒星距离较远的行星非常敏感

劣势：条件要求苛刻



当一颗行星绕着恒星公转时，恒星也会绕着质心在自己轨道上轻微移动。恒星径向速度的变化会因多普勒效应（波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象）造成在谱线上的变化并检测出来，也就是检测恒星是否受到周围行星的引力。与其相似的还有天体测量法，通过观察天体在天空中的位置随着时间推移的变化而探测。

优势：极其精确（甚至速度变化在1m/s以下都能检测出来），一定条件下更是能得到行星的精确质量，且泛用性强

劣势：技术要求高（目前检测距离仅有160光年）

04

径向速度法

05

凌日法

近年来人类的望远镜飞上太空，我们终于摆脱了大气层的干扰，可以直接在太空中观测恒星的亮度变化。这样，效率最高的凌日法便诞生了。当一个行星在我们的视角下从母恒星前经过，观测到的恒星的亮度由于遮挡会有轻微的下降，变暗的幅度取决于行星的大小、恒星的大小，还有其它的因素等等。这种方法探测体积较大的行星时十分有效。因为行星凌日是周期性的，通过持续探测并寻找规律即可检测到行星。

优势：凌日的周期性使其更可信，并能直接得出行星的半径，进而得到其体积。有时还能通过光谱直接研究行星的大气层

劣势：对观测角度要求高（必须位于行星公转轨道侧面），影响因素多导致精确度不高，且目前因探测器数量较少只能检测一小片区域内的系外行星

※凌日法探测出的行星多需要用其他方法交叉验证，而交叉验证时各种数据结合更能得出更详细的数据，例如将使用径向速度法得到的质量与使用凌日法得到的体积相结合，行星的密度便可以被算出。现探测到的系外行星约95%通过径向速度法与凌日法相结合发现并验证。



当一个恒星系统内存在着多颗行星时，相互之间的引力作用会对它们的轨道造成微小的摄动。一颗行星凌日周期的小变化可以指示另一颗行星的存在，而无关乎这颗行星是否会凌日。如果一个系统存在着多颗凌日的行星，也可以利用这种方法确认它们的存在。

06

凌日时间

变分法

07

恒星盘法

很多恒星都被尘埃组成的恒星盘包围，这些尘埃吸收了恒星的光再放出红外线，因此可以被观测到。这些尘埃是由彗星或小行星碰撞中形成，而在恒星的辐射压力下，很快便会把尘埃推至星际空间。因此侦测到尘埃盘便代表恒星附近有不断的碰撞以补充失散的尘埃，是恒星拥有彗星或小行星的间接证据。在一些情况下尘埃盘可以显示有行星的存在。有些尘埃盘中间有空洞或形成团状，都可能表示有行星在＂清理＂其轨道或尘埃受到行星引力影响而结集。

凌日法将在未来覆盖更大天区，一种新型可以检测大型行星反光的方法，以及一种结合小行星与拉格朗日点来探测系外行星的方法。另外，直接影像法在将来可能成为最重要的方法，因为它可以排除通过间接探测造成的误差。

08

发展中的

观测方法



系外星系的观测历史



【脉冲星想象图】

早在十九世纪便有天文学家声称发现系外行星，但因技术限制均未得到官方认可。

加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔等人在1988年的结果是首次获得随后观测确认的发现，他们利用视向速度法发现围绕少卫增八的行星。然而受当年技术条件所限，包括发现者本身的天文学界都对结果有所保留。

1992年，美国天文学家亚历山大·沃尔兹森及戴尔·弗雷宣布发现一个围绕脉冲星PSR B1257+12的行星。这项发现迅速被确认，普遍认为这是首次对系外行星的确认。

1995年10月6日，日内瓦大学的米歇尔·麦耶及戴狄尔·魁若兹宣布首次发现一颗普通主序星（飞马座51b）的行星，这发现开展了当代的系外行星发现。



结语

随着科技的不断发展，人类将不断发现更多系外行星并更细致地研究它们。光是银河系内就有上千亿颗恒星，系外行星的数目更是无穷无尽，而也许某一颗不起眼的星球上，就有着与我们一样的智慧生命。他们也有语言，也有思想，也有自己璀璨的文化。我们与他们接触时会发生什么呢？是不是想想就觉得期待呢？但那可能要等到很久很久以后了。

文字 | 林翔鸣

编辑 | 张家园