系外行星的真相

發現的涓涓細流已匯成洪流。

自從在其他恆星周圍首次發現行星以來，僅僅二十多年後，地面和太空望遠鏡上改進的儀器就使計數激增：現在已經超過 2,000 顆。這些發現包括“熱木星”、“超級地球”以及太陽系中沒有對應物的其他天體，並迫使天文學家徹底反思他們關於行星系統如何形成和演化的理論。

然而，發現僅僅是開始。天文學家正積極進入系外行星研究的關鍵階段：弄清楚這些世界是什麼樣的。大多數系外行星探測技術除了行星的質量、大小和軌道外，幾乎沒有透露其他資訊。但它是像地球一樣是岩石行星，還是像木星一樣的氣體巨星？它是酷熱難耐還是冰冷刺骨？它的大氣層是由什麼構成的？而且，這個大氣層是否含有諸如水、甲烷和氧氣等奇特的、不穩定的比例的分子，這些分子可能是生命特徵的訊號？

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天文學家可以用來解決這些問題的唯一可靠工具是光譜學：一種分析直接來自行星表面或穿過其大氣層的光波長的技術。每種元素或分子都會產生特徵性的“譜線”模式——已知波長處的光發射峰值或吸收谷值——因此觀測者可以檢視遙遠物體的光譜，從而讀出存在哪些物質。“如果沒有光譜學，你在某種程度上是在猜測你所看到的東西，”圖森市亞利桑那大學的天文學家伊恩·克羅斯菲爾德說。

但光譜學傳統上需要清晰地觀察物體，這對於系外行星來說通常是不可用的。大多數新世界僅僅表現為恆星的無限小的變暗，因為原本不可見的行星在其表面穿過；其他世界僅從恆星的輕微擺動中得知，這種擺動是由一顆看不見的伴星的引力來回拉扯引起的。天文學家經常說，試圖研究這樣一個物體就像盯著遠處探照燈（恆星）並試圖看到螢火蟲（行星）在附近盤旋。

然而，近年來，觀測者已經開始取得進展。有些人已經提取了穿過系外行星大氣層時穿過其母恆星表面的光的光譜——相當於測量螢火蟲翅膀的顏色，當它掠過探照燈光束時。其他人已經阻擋了母恆星的光線，以便他們可以看到遙遠軌道上的系外行星並直接記錄它們的光譜。

在過去的兩年裡，天文學家已經開始記錄來自新一代定製儀器的光譜，例如位於智利塞羅帕瓊山頂的 8.1 米雙子座南望遠鏡上的雙子座行星成像儀。系外行星光譜學將成為目前正在開發中的幾艘航天器和地面望遠鏡的優先事項。天文學家正熱切等待美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），它將在 2018 年發射時為這項任務帶來前所未有的集光能力和靈敏度。

對於那些希望深入瞭解新發現世界的人來說，這是一個令人興奮的時代，日本昴星團望遠鏡位於夏威夷莫納克亞山的天文學家塔恩·柯里說。“我們正處於一場革命的風口浪尖。”

凌星光譜學

第一顆圍繞類太陽恆星執行的系外行星是在 1995 年發現的，當時日內瓦天文臺的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲天文學家探測到恆星 51 飛馬座的運動有規律的來回擺動。他們得出的結論是，這是由一顆質量至少是地球 150 倍的行星的引力引起的——大約是木星質量的一半——每 4 天左右繞恆星執行一次。隨著系外行星熱潮興起，其他發現也隨之而來，並導致望遠鏡管理者為行星搜尋提供更多觀測時間。

這一系列的發現很快激發了馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理學中心的戴維·查博諾天文學家的一個想法。他推斷，當一顆行星“凌星”或從恆星前方經過時，其大氣層中的分子會吸收一些星光，並在其中留下光譜指紋。是否有可能檢測到這些指紋？

為了弄清楚，查博諾決定尋找鈉。“它並不特別豐富，”他說，“但鈉具有非常清晰的光譜特徵”——它的激發分子發射兩條非常強的光線，這使得鈉路燈呈現出熟悉的黃橙色。當鈉被背光照射時，穿過它的光線在光譜的相同點處具有暗帶，查博諾希望這些暗帶相對容易被發現。

確實如此：2002 年，查博諾和他的同事宣佈，他們已經使用哈勃太空望遠鏡探測到來自一顆木星大小的系外行星 HD 209458 的鈉訊號，該行星凌星了距離地球約 47 秒差距（150 光年）的一顆恆星。這既是首次探測，也是首次對系外行星大氣層進行光譜測量。在短短幾年內，基於太空的凌星觀測記錄了更完整的光譜，並探測到了一氧化碳和水蒸氣等氣體。

查博諾說，使用這項技術意味著尋找恆星光譜中非常微小的變化——可能只有萬分之一。哈勃望遠鏡過去是，現在仍然是觀測者的首選儀器：它不必應對地球大氣層中氣體的光吸收，因此其光譜非常乾淨且易於解釋。但是對觀測時間的競爭非常激烈，因此天文學家也使用地面望遠鏡。

這些望遠鏡確實必須處理大氣干擾，但可以透過收集比哈勃望遠鏡更多的光來克服它。這使它們能夠探測到更微弱的物體，並更清晰地分離出各個光譜特徵。這樣做是有回報的，因為大多數系外行星都位於相對於地球移動的恆星系統中。“因此，它們的波長髮生了多普勒頻移，”查博諾說，這意味著來自它們的輻射因其運動而被拉伸或壓縮，從而使光譜線略微偏離地球大氣層中相應的譜線。由於這兩組光譜線不再重疊，觀測者可以肯定地知道有多少訊號來自系外行星。使用這種方法，天文學家已經能夠探測到佔行星大氣層十分之一甚至更少的氣體。

凌星光譜技術的一個擴充套件應用使天文學家能夠測量從行星表面反射的光。他們這樣做是在行星穿過其恆星表面之後，當行星位於其軌道遠側時，其日光面朝向地球（參見“星影”）。觀測者將無法將其視為一個單獨的物體——但他們會知道其光譜與恆星的光譜結合在一起，加拿大蒙特利爾麥吉爾太空研究所的天文學家尼古拉斯·考恩說。然而，不久之後，行星將從恆星後面經過並被掩食——考恩說，在這一點上，“你將從行星和恆星變成只有恆星。如果你測量通量的差異，你就可以知道有多少光來自行星。”他說，這個過程要求很高，但即使木星大小的行星亮度不到恆星的 0.1%，它也可以測量近距離軌道上木星大小的行星的紅外光譜。

這項技術的一個更雄心勃勃的應用是跟蹤系外行星的完整軌道。透過減去行星掩食期間獲得的僅恆星光譜，觀測者可以獲得行星大氣層的光譜，因為其輪廓從剛剛凌星後的細彎月形變為擺動到側面的半月形，然後在遠側變為滿月形。這使他們能夠生成相對精細的大氣層地圖，以及大氣層隨時間的變化情況。考恩和他的同事首次報道了在 2012 年使用這項技術，使用了來自美國宇航局斯皮策太空望遠鏡的紅外資料。他們表明，系外行星 HD 189733b 最熱的地方在其赤道 10 度範圍內，正如預測的那樣。從那時起，其他研究人員已經使用哈勃望遠鏡和斯皮策望遠鏡更詳細地繪製了系外行星大氣層的地圖。考恩說，藉助 JWST，“製作一顆熱木星大氣層的 3D 地圖將很容易。”

凌星光譜學確實有其侷限性。一些系外行星的光譜幾乎沒有特徵，這是雲層的特徵，雲層由液滴或細小的塵埃顆粒組成，這些顆粒不會像孤立的分子那樣在光譜上留下印記。查博諾說，雲層是一個大難題。“我們沒有直接測量雲層是由什麼構成的。我們只知道它們阻擋了光線。”它們不一定是由水蒸氣構成的。查博諾指出，籠罩在雲層中的超級地球 GJ 1214b 距離地球 12 秒差距，它非常熱，以至於其雲層可能由硫化鋅和氯化鉀構成。在更熱的世界中，雲層可能包含鐵或岩石液滴。

紐約州伊薩卡市康奈爾大學卡爾·薩根研究所所長麗莎·卡爾特內格指出，凌星方法的另一個侷限性。“當光線照射到凌星行星時，它不僅僅被吸收，”她說。“它也會在大氣層中彎曲”，使得地球上的觀測者無法看到。這種彎曲，被稱為折射，隨著大氣層變得更厚而增加。她說，如果外星天文學家試圖獲得地球的光譜讀數，折射會阻止他們探測到距地表 10 公里以上的任何地方。但地球上大部分水都在其大氣層最低的 10 公里處，她說——因此類比，“水將是在類地系外行星中最難找到的東西之一”。

直接成像

尋找和研究系外行星的另一種方法是嘗試阻擋星光並直接成像它們，這相當於透過在探照燈前舉起手來尋找螢火蟲。早期嘗試這樣做是徒勞的：即使是最暗淡的母恆星也比系外行星亮得多。成功的秘訣是尋找更亮的螢火蟲，它們遠離探照燈遊蕩——也就是說，年輕的行星仍然因形成的熱量而發光，並且軌道遠離它們的恆星。第一批直接成像的系外行星是由兩個小組於 2008 年同時宣佈的。這些天體包括 3 顆大約 6000 萬年前圍繞恆星 HR 8799 執行的行星，以及一顆超過 1 億年前圍繞北落師門（一顆距離地球約 8 秒差距的明亮恆星）執行的單顆行星。

為了獲得這些物體的光譜，天文學家轉向了自適應光學，這項技術可以校正地球大氣層湍流引起的恆星閃爍，並使在恆星附近更容易發現任何系外行星。同樣必不可少的是插入望遠鏡光路以阻擋來自恆星的光線的圓盤，以及用於數字銳化影像的複雜訊號處理器。

“直接成像光譜非常漂亮，可以告訴你很多關於行星及其如何形成的資訊，”加利福尼亞州斯坦福大學的天文學家、HR 8799 行星的共同發現者布魯斯·麥金託什說。2011 年，他和他的同事報告了首次使用第一代直接成像儀器在一顆行星上探測到水蒸氣，該儀器只能觀測到溫度高於 1,000 開爾文的系外行星。現在，麥金託什是雙子座行星成像儀的首席研究員，該成像儀與歐洲南方天文臺位於智利的甚大望遠鏡上的類似光譜偏振高對比度系外行星研究（SPHERE）成像儀一起，是第二代儀器，旨在直接成像並獲取溫度低至約 600 開爾文的系外行星的光譜。

雙子座儀器於 2014 年 11 月啟動了一項為期多年的搜尋，尋找圍繞炎熱年輕恆星執行的類木星行星。對 51 顆波江座星的早期觀測，這是一顆距離地球約 30 秒差距的 2000 萬年前的恆星，發現了一個類木星世界，它距離恆星的距離是木星與太陽距離的 2.5 倍。光譜顯示，這顆名為 51 Eri b 的系外行星的大氣層比任何其他系外行星都含有更多的甲烷——木星大氣層的一種已知成分。“51 Eri b 和其他新系外行星真正令人興奮的地方，”柯里說，“是我們看到它們時，它們的光譜看起來比那些更年輕、更熱的行星“更正常”和更像木星，在那些行星中，甲烷奇怪地消失了。這可能為行星形成提供關鍵的見解，目前的行星形成理論主要基於來自太陽系的資料。

SPHERE 也開始了類似的調查，但開始較晚，在 2015 年 2 月，並且報告較少。到目前為止，巴黎天文臺的天文學家、團隊成員安東尼·博卡萊蒂說，最有趣的發現是一組五個氣體團塊，它們以高速遠離年輕恆星 AU Microscopii 移動，已知該恆星異常容易發生耀斑和其他活動。“我們真的不知道它們是什麼，”他說。

恆星調查

系外行星光譜學從早期從業者努力從嘈雜環境中提取極其微弱的訊號開始，已經走了很長一段路。最初的結果通常存在問題。現在，克羅斯菲爾德說，“在大多數情況下，我們發現的東西都站得住腳並且是可重複的”。

新一代儀器有望揭示更多資訊。美國宇航局的凌星系外行星巡天衛星（TESS）計劃於明年 8 月發射，它將花費兩年時間搜尋凌星太陽附近 200,000 多顆最亮恆星的系外行星。系外行星也將成為 JWST 的目標。憑藉其 6.5 米望遠鏡和先進的儀器，韋伯應該比 2.4 米的哈勃望遠鏡看到更多。“TESS 和韋伯將在五年內佔據這個空間，”麥金託什預測。

另外兩個計劃中但尚未獲得批准的太空任務將使用系外行星光譜學。美國宇航局的 2.4 米寬視場紅外巡天望遠鏡預計將於 2020 年代中期發射，它將大部分時間用於宇宙學問題，但預計將發現和研究約 2,600 顆系外行星。柯里說，它應該能夠對附近恆星執行的類木星行星進行成像，儘管像冥王星或假想的“X 行星”（據推測存在於太陽系邊緣）或地球這樣的小而冷的天體仍然遙不可及。“我們需要一個 10 米級的太空望遠鏡才能觀測到其他地球，”麥金託什說。

第二個任務是 ARIEL，即大氣遙感紅外系外行星大型巡天，這是歐洲航天局將於 2026 年發射的中型任務的三個候選者之一。這臺 1 米望遠鏡將專門用於凌星光譜學和溫度高於 500 開爾文的系外行星的巡天。

大約十年後，天文學家希望看到三臺超大型望遠鏡的建成：位於智利拉斯坎帕納斯天文臺的 24.5 米巨型麥哲倫望遠鏡、計劃在莫納克亞山建造的三十米望遠鏡，以及位於智利塞羅阿馬佐內斯的歐洲極大望遠鏡。所有三者都將配備自適應光學系統，並且可以肯定的是，它們將進行系外行星光譜學，以測試基於迄今為止收集的資料的模型。

查博諾說，這些測量可能是天文學家首次真正有機會在更廣闊的宇宙中找到生命。“我太激動了。”

本文經許可轉載，並於 2016 年 2 月 17 日首次發表。