探索行星的下一個前沿領域

2017年8月21日上午，在愛達荷州米德維爾的一片草地上，我的家人和我滿懷期待地等待著。幾分鐘後，我們將被月球的陰影籠罩。和數百萬其他前往從俄勒岡州延伸到南卡羅來納州的狹長地帶的人們一樣，我們即將目睹一場日全食。

事後，我想知道在那一刻，有多少初出茅廬的年輕天文學家被創造出來，他們被白天那詭異的暮色和太陽白色熾熱日冕的罕見景象所吸引。幾個世紀以來，日食一直是靈感和知識的源泉，至今仍然如此。我自己的研究並非依賴日食，而是依賴另一種完全不同的日食型別：系外行星的“凌星”。儘管望遠鏡實際上無法觀察到行星的輪廓在其恆星表面移動（當該恆星遠在光年之外時），但當行星阻擋了其恆星光線的一小部分時，亮度發生的微小下降足以告訴我們，一個外星世界存在。

天文學家在1999年探測到首次系外行星凌星現象。十年之內，這一數字超過了100個。現在，由於主要歸功於美國國家航空航天局（NASA）的開普勒任務（該任務將於今年結束），我們已經發現了近4000顆凌星系外行星。儘管凌星法目前是我們尋找遙遠世界最有效的方法，但其他行星搜尋技術也發現了700多顆系外行星。總而言之，我們發現了行星形成理論未曾預料到的各種各樣的世界，而且我們懷疑我們僅僅觸及了浩瀚海洋的表面。

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今年，NASA 和歐洲航天局 (ESA) 都計劃發射新的望遠鏡，專門用於探測凌星行星。與此同時，山頂天文臺的創新望遠鏡正在將搜尋範圍擴大到太空任務不會探索的恆星型別。而這一切僅僅是為 ESA 計劃於 2026 年發射的終極日食探測航天器吊足胃口。

目前的概況

我們現在對系外行星的大部分了解都來自開普勒。在 2009 年發射後，該望遠鏡繞太陽執行，毫不眨眼地盯著天鵝座和天琴座的星空，監測約 150,000 顆恆星的亮度。2013 年，在兩個反作用輪（保持天文臺指向正確方向）發生故障後，該望遠鏡開始執行修改後的計劃，但令人驚訝的是，它仍然能夠繼續積累行星發現。

儘管事實上日食是罕見的。開普勒在它搜尋的恆星中僅發現了百分之幾的行星日食證據，形式為短暫且週期性的亮度下降。每次亮度下降序列都暴露了一顆行星的存在，該行星的軌道恰好幾乎完美地與我們的視線對齊，導致每次繞行時都發生微小的部分日食。光線損失的分數告訴我們行星輪廓的面積，相對於恆星橫截面而言。因此，較大的天體更容易探測到：例如，從遠處看，木星凌日會產生 1% 的亮度下降，而地球凌日期間的光線損失僅為 0.01%。沒有人弄清楚如何用地球表面的望遠鏡測量如此微小的訊號；我們的大氣層過度擾亂了星光。因此，我們需要空間望遠鏡。

開普勒發現了近 5,000 顆候選行星，其中超過 3,500 顆行星通過後續分析被證實為實際行星。大多數開普勒行星分為兩類：大致地球大小或稍大的行星（“超級地球”）和略小於我們第八顆行星的行星（“迷你海王星”）。開普勒發現的大多數行星系統中只有一個已知的行星，但其中數百個行星系統有多個行星，最近發現的一個系統有八個行星，與太陽系相當。這些數字反映了開普勒自身的觀測偏差——它更容易發現更大、更靠近其恆星軌道執行的行星的能力——以及行星的總體情況。

開普勒的一些發現確實令人驚訝。例如，在我看來，它最深遠的發現是微型太陽系的存在。這些太陽系有多達六顆行星擁擠在一顆恆星周圍，其軌道甚至比水星繞太陽的軌道還小。它們的意義如此重大的原因是它們很常見。如果你指向夜空中一顆隨機的類太陽恆星，結果表明它有 50% 的機率至少有一顆大於地球的行星，其軌道比水星繞太陽的軌道更近。沒有人預料到這樣的行星會很常見；事實上，一些最詳細的理論預測它們會特別罕見。標準的行星形成理論遺漏了一些基本的東西。

開普勒還發現了一些罕見的、怪異的行星，這些行星曾被預測到——由科幻小說作家預測到。我最喜歡的一個是 KOI 1843.03，一顆地球大小的行星，離它的恆星如此之近，以至於它的向陽面必定有數千度。它的表面可能被岩漿海洋覆蓋，與虛構的星球大戰行星穆斯塔法非常相似，那是歐比旺和安納金史詩般的光劍決鬥的地點。KOI 1843.03 的軌道非常小，完成一次完整公轉僅需 4.25 小時，與觀看星球大戰：第三部和所有花絮的時間大致相同。與此同時，開普勒-16b 類似於盧克·天行者的家鄉星球塔圖因：它的天空中有兩個太陽。它的軌道環繞著一對彼此環繞的雙星。

還有開普勒-36，那裡有兩顆行星幾乎共享相同的軌道，導致它們混亂地相互作用。即使我們知道行星當前的精確位置在 1 米以內，我們也無法預測它們幾十年後的位置——這是一個行星版本的“蝴蝶效應”。在地球上，科學革命始於對行星運動的理解。想象一下，對於開普勒-36 系統中的任何科學家來說，這將有多麼困難！

開普勒最初旨在回答一個古老的問題：類地行星有多普遍，或者說有多罕見？就這個術語而言，大多數天文學家指的是大小和質量與地球相似的行星，這些行星可能擁有液態水海洋。這樣的行星必須位於其恆星周圍的區域內，該區域的恆星熱量足以融化水冰，但又不會將其汽化。科學家們將這個距離範圍稱為“宜居帶”，因為他們認為液態水對於地球上生命的開始至關重要，或許其他地方也是如此。

開普勒在宜居帶中發現了大約十幾顆潛在的岩石行星，使我們即將回答這個問題。現在我們所需要做的就是除以開普勒搜尋過的恆星數量，以計算出擁有類地行星的恆星百分比，對嗎？這聽起來很簡單。實際上，計算非常複雜。開普勒觀測的恆星中有多少顆足夠小、足夠明亮和足夠穩定，以至於望遠鏡能夠探測到它們周圍的類地行星，這一點並不明顯。弄清楚這一點將需要再花費一年左右的時間來仔細檢查資料並確定恆星的屬性。

更大的視窗

儘管我們非常喜愛開普勒，但該任務有一個主要的侷限性。該望遠鏡主要指向一個方向，僅觀察了天空的 1/400。因此，開普勒必須在該方向上看得更遠，才能監測足夠大的恆星樣本，從而使這項調查值得進行。典型的開普勒恆星距離我們數千光年。

現在，像任何天文學家一樣，我喜歡用關於遙遠天體的故事（數百萬億公里之外）讓觀眾眼花繚亂。但從實際角度來看，遙遠是不好的。遙遠的恆星是昏暗的，只能向我們的望遠鏡傳送涓涓細流般的光子。這種昏暗限制了我們資料的精度，並使一些測量變得不可能。例如，我們無法測量大多數開普勒行星的質量。凌星訊號告訴我們行星的直徑，但沒有告訴我們它的質量。這種差距讓我們想知道我們正在處理的是哪種行星。它是像地球一樣緻密且多岩石？它是像木星和土星一樣擴散且呈氣態？還是介於兩者之間？只有同時知道直徑和質量，我們才能判斷出來。

確定行星質量的常用方法是測量恆星響應行星引力的加速度：行星質量越大，恆星被拉動的程度就越大。我們使用多普勒頻移來跟蹤恆星的運動，多普勒頻移是恆星光波長因其朝向或遠離我們運動而產生的微小變化。（這種方法有時也可以讓我們發現以前未知的行星，因為即使行星不發生日食，我們也可以發現恆星洩露天機的擺動。）該技術需要高解析度光譜學：我們需要將星光分散成彩虹，並測量其在至少約 50,000 個不同波長處的強度。但是，對於昏暗的恆星來說，沒有足夠的光線可以如此稀疏地分散開來。

NASA 的下一個任務，凌星系外行星巡天衛星 (TESS)（我是該任務的共同研究員），旨在解決這個問題。機載將有四架望遠鏡，每架望遠鏡的直徑為 10 釐米，只有開普勒望遠鏡的十分之一大小。這種設定可能看起來很奇怪——通常進步的方向是朝著更大的望遠鏡發展，而不是更小的望遠鏡。但是，較小望遠鏡的優勢在於視野更廣；收集面積和視野之間的這種倒數關係已融入到光學基本定律中。每臺 TESS 相機看到的天空幾乎是開普勒的六倍，此外，TESS 還會旋轉以窺視不同的天體方向。最終，TESS 應該能夠觀測到比那些恰好位於開普勒狹小視野中的恆星多得多的明亮恆星。

TESS 計劃於今年 3 月至 6 月之間發射。在接下來的兩年裡，TESS 將透過將天空劃分為 26 個部分重疊的扇區並監測每個扇區約一個月的時間來掃描大約 90% 的天空。與開普勒一樣，我們預計 TESS 將發現數千顆行星，但它們將圍繞通常亮 30 倍的恆星執行。當我們使用地面望遠鏡來跟進 TESS 的發現時，這種亮度將是一種福音——與它們跟進開普勒發現的能力相比，這些望遠鏡的光收集能力似乎提高了 30 倍。

緊隨 TESS 之後的是歐洲航天任務，系外行星特性探測衛星 (CHEOPS)，計劃於 2018 年底發射。CHEOPS 擁有一架直徑為 32 釐米的單筒望遠鏡，將用於一項不同且互補的任務。TESS 將以有條不紊且預定的模式掃描廣闊的天空，而 CHEOPS 將指向已經有一些行星證據的單個恆星並收集更好的資料。

例如，TESS 可能會發現有趣的行星的暗示性證據，但統計意義值得懷疑。在這種情況下，我或我的同事 TESS 科學家之一將拿起連線我們與 CHEOPS 團隊的紅色電話熱線，詢問他們是否可以更好地觀察一下。或者考慮比鄰星和羅斯 128，這兩顆附近的恆星，多普勒技術已經提供了地球質量行星正在拉動它們運動的證據。CHEOPS 將能夠檢查這些行星和其他行星的日食。該望遠鏡仍然需要一些好運，因為我們從正確方向觀看軌道的可能性很小；對於比鄰星來說，它只有 1.4%。但是，如果我們真的中了頭彩，我們將能夠比其他情況下更多地瞭解這些行星。

小恆星

這些新工具將把我們帶到行星搜尋的下一個前沿領域，但它們仍然有其缺點。為了確保恆星的變暗是由經過的天體引起的，而不是儀器故障，科學家們希望看到它至少重複一次，最好是多次。然而，TESS 將在任何給定恆星上凝視僅一個月——時間遠不足以觀察到地球等行星的多次凌星，地球繞其恆星執行需要一年時間。對於天空的少數百分比，所有 TESS 的觀測扇區都重疊，它將觀測長達一年——但即使是這個跨度也比開普勒的四年凝視競賽短得多。

因此，TESS 將主要限於發現軌道執行速度非常快的行星，在幾周或更短的時間內——這並不理想。這種短持續時間是科學家們為使任務符合 2.28 億美元預算而做出的主要妥協。我們認為這是一個很好的讓步，因為開普勒教會我們，短週期軌道中存在各種各樣的行星：熔岩世界、低密度“絨球”行星、混亂相互作用的行星，甚至是在其恆星的熾熱中明顯瓦解的行星。TESS 將找到這些型別的奇異行星的最近和最容易研究的例子。然而，圍繞類太陽恆星的真正類地行星將不得不等待。

儘管如此，TESS 是長期探索其他行星生命的重要組成部分。我們預測 TESS 將在宜居帶內發現大約十幾顆行星，與開普勒發現的數量大致相同。訣竅是不要再如此堅持類太陽恆星。天文學家喜歡將太陽稱為一顆完全普通的恆星，只是銀河系中數千億顆恆星中的一顆。但這有點善意的謊言。實際上，太陽高於平均水平。銀河系中的大多數恆星都是所謂的紅矮星，它們是比太陽更冷、更暗的恆星，質量不到太陽的一半；如果太陽是百老匯舞臺上的聚光燈，那麼紅矮星就是蠟燭。

你需要非常靠近蠟燭才能獲得與聚光燈相同的溫暖。因此，紅矮星的宜居帶非常靠近恆星，那裡的軌道週期很短。非常方便的短。對於質量為太陽五分之一的紅矮星，任何宜居帶行星都將在幾周內繞其旋轉，使其進入 TESS 的搜尋範圍。

開普勒觀測了幾千顆紅矮星，發現它們充滿了近距離行星，甚至比類太陽恆星的比例更高。在數十萬顆 TESS 目標恆星中，大約有 50,000 顆紅矮星。儘管它們很暗淡，但紅矮星因體積小而彌補了這一點，這使得行星在凌星時更容易阻擋它們大部分表面，從而為我們的望遠鏡提供明顯的亮度下降。例如，一顆行星在亮度為另一顆恆星 1/16 的恆星前面穿過，與在另一顆恆星前面穿過同樣容易被探測到，只要第一顆恆星的半徑只有第二顆恆星的一半即可。事實上，紅矮星前面的行星非常清晰，甚至沒有嚴格必要使用空間望遠鏡來探測它們。

因此，目前正在地面望遠鏡上開展多個專案，以搜尋紅矮星周圍的行星。然而，由於這些恆星很暗淡，天文學家正在使用大型望遠鏡，這將必然具有狹小的視野。他們必須一次監測一顆恆星，這使得這是一項低效率、長期的事業。經過多年的搜尋，這些努力只產生了三個行星系統，但這三個系統是該領域最轟動的發現之一。其中之一，TRAPPIST-1，在 2017 年初成為頭條新聞。這個微小的行星系統有七顆——是的，七顆——地球大小的行星緊密地擠在一個質量如此之低的天體周圍，以至於它幾乎勉強算作一顆恆星。七顆行星中至少有兩顆位於恆星的宜居帶內。（“TRAPPIST”這個名字據說是首字母縮寫詞，但它實際上是比利時首席研究員 Michal Gillon 最喜歡的啤酒之一，他現在以他最喜歡的餅乾之一“SPECULOOS”命名了一個更雄心勃勃的專案。）

前進的道路

在所有這些太空任務和地面專案之後，我們將知道數千顆凌星行星的位置，這些行星的恆星足夠明亮，可以進行詳細的後續研究。我們可以期待測量它們的質量，瞭解行星結構，並獲得更多關於正確的行星形成理論的線索。如果一切順利，我們將擁有越來越多的潛在宜居的地球大小的行星。

然後呢？我們如何邁出下一步，弄清楚這些潛在宜居行星是否有人居住？自 20 世紀 50 年代以來一直倡導的傳統方法是將大型射電望遠鏡指向恆星，並希望我們能夠收聽到任何智慧外星文明的廣播。雖然這是一個有效計劃，但我們不知道它是否會奏效。

另一種方法是分析行星的大氣層，尋找生命跡象。我們可以透過玩凌星技巧來實現這一點。行星大氣層的最外層是半透明的，因此當行星位於恆星前方時，一小部分星光會穿過濾過行星的大氣層，併到達另一側，在那裡它繼續前往我們的望遠鏡。然後，我們可以使用傳統的光譜學技術來探測行星大氣層的成分。每種原子或分子都有其喜歡吸收或向其他方向偏轉的特定波長的光。這種偏愛源於電子根據量子理論所具有的離散能量集。例如，鈉喜歡特定的橙黃色陰影，因為鈉原子的外層電子很容易吸收波長為 589 奈米的光。

然後，訣竅是在凌星之前、期間和之後監測恆星的光譜。在凌星期間，行星大氣層中的原子和分子在其喜歡的波長處去除星光，稍微改變了觀測到的恆星光譜。然後在凌星結束後，我們再次看到恆星的普通、未改變的光譜。如果我們足夠仔細地做到這一點，我們可以取正常光譜和凌星光譜之間的差異，並隔離由行星引起的微小變化。

天文學家已將這項技術應用於木星大小的凌星行星，甚至是一些海王星和天王星大小的行星。它已經在外星大氣層中發現了甲烷、一氧化碳和水等分子。但我們從未將其應用於地球大小的行星，因為它們的訊號非常微弱，而且到目前為止我們發現它們周圍的恆星都太遙遠和昏暗。如果我們曾經在類地行星大氣層中發現氧氣，那會令所有人熱血沸騰。地球大氣層中含有如此多氧氣的原因是生命。如果地球上的生命突然消失，地球地殼中的岩石將在數百萬年內吸收所有氧氣以製造氧化物。因此，人們認為，一顆擁有大量氧氣的行星可能就是小綠人的家園——或者至少是某種型別的生物。因此，希望即將到來的調查能夠提供圍繞足夠明亮的恆星執行的地球大小的行星，以便我們能夠詢問它們的大氣層。

從這個意義上說，TESS、CHEOPS 和 SPECULOOS 充當了下一個偉大的天文臺——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的尋星鏡。這艘耗資 100 億美元的航天器計劃於 2019 年發射。除了許多其他方面之外，這項技術奇蹟將是迄今為止可用於凌星光譜學的最強大的工具。但是，韋伯望遠鏡的計劃壽命只有 5 到 10 年，之後它將耗盡維持其軌道所需的燃料。這個時間表給發現天空中最好和最亮的目標帶來了一些緊迫性。

由於韋伯望遠鏡的觀測時間需求量很大，一些系外行星天文學家已經聯合起來，提議建造專門的空間望遠鏡，這些望遠鏡將只進行凌星光譜學研究。美國的任務被稱為快速紅外系外行星光譜巡天探測器 (FINESSE)，其歐洲對應物是大氣遙感紅外系外行星大型巡天 (ARIEL)。“紅外”一詞出現在這兩個名稱中，因為水和二氧化碳等分子最容易在紅外波長下被發現。在未來一兩年內，我們應該知道這些任務是否會繼續進行。

更遠的未來是計劃於 2026 年發射的歐洲航天器 PLATO。我認為 PLATO 是一架超級 TESS，它將擁有 24 架望遠鏡來掃描天空，而不是僅僅四架。PLATO 應該能夠比以前的望遠鏡更靈敏、持續時間更長地搜尋行星。

至少同樣重要的是，PLATO 的資料質量將足夠高，可以檢測到與恆星振盪相關的亮度變化。事實證明，恆星像任何流體天體一樣，會以類似於地震的波浪起伏，這就是為什麼對它們的研究被稱為“星震學”。這些振盪的頻率和模式取決於恆星的內部結構，例如其密度和成分。當 PLATO 發現一顆行星時，我們將受益於對恆星基本屬性的更深入瞭解，包括目前對我們隱藏的一個屬性：它的年齡。隨著時間的推移，振盪會揭示年齡，因為恆星中心的核熔爐會將越來越多的氫轉化為氦，從而導致地表波浪頻率的細微變化。透過星震學，我們可以判斷一顆恆星是剛剛開始核聚變，還是已經進行了 100 億年。我們將能夠看到行星系統如何在宇宙時間中演化。

在科學家們正在進行的開普勒資料分析以及即將到來的 TESS、CHEOPS、韋伯和 PLATO 任務之間，行星搜尋議程已滿。我們已準備好最終開始潛入我們剛剛開始探索的無限容器中。所有那些被去年夏天日食迷住的初出茅廬的年輕天文學家，長大後將有大量的行星日食可以研究。