系外行星是如何已发现你来了吗

太阳并不是一颗特殊的恒星

人类长期以来认为太阳和地球是宇宙中特殊的天体。然而，1609年，当意大利的伽利略·伽利雷将望远镜指向夜空，现代天文学开始时，人类对宇宙的看法发生了巨大的变化。首先，人们清楚地认识到，被认为是宇宙中心的地球是太阳系中围绕太阳旋转的行星之一。

很明显，太阳是夜空中闪耀的众多星星之一。 18 世纪的天文学家威廉·赫歇尔仔细观察了夜空中的星星，并绘制了它们的分布图。然后，他们意识到，虽然银河系方向有很多恒星，包括微弱的恒星，但随着远离银河系，恒星的数量会减少。从这张分布图中，赫歇尔发现夜空中的星星聚集在一起形成一个薄薄的圆盘，星系的想法由此诞生。

星系一词的意思是“天空中可见的银色河流”，最初指的是银河系（图 1）。因此，我们太阳系所属的星系被称为银河系，当时人们认为银河系就是宇宙本身。

[图1]银河系
在 18 世纪左右，银河系被认为是整个宇宙。
©ESO/B。塔弗莱西

然而，在 20 世纪，美国天文学家埃德温·哈勃测量了仙女座星云的距离，并表明它位于我们银河系之外。此外，人们发现仙女座星云是由数千颗恒星组成的，就像银河系一样，因此被称为仙女座星系。当人们清楚银河系之外还有许多其他星系时，我们的星系就被称为“银河系”，以区别于其他星系。

太阳是这个宇宙中存在的无数恒星之一。因此，除了太阳之外，恒星也有行星围绕它们运行也就不足为奇了。考虑到这一点，天文学家开始寻找系外行星，这些行星可能存在于太阳系之外的恒星周围。顺便说一句，这样的行星被称为系外行星，因为它们位于太阳系之外。

难以发现的系外行星

对系外行星的搜寻始于 20 世纪 40 年代，当时建造了许多大型望远镜。然而，寻找系外行星并不容易。恒星是自行发光的天体，但行星不发光。而且，它比它的主星小得多。望远镜基本上是寻找发光天体的工具，因此很难找到不发光的行星。就系外行星而言，除了距离地球很远之外，附近还有比地球亮十亿倍的恒星发出的光，因此即使使用大型望远镜，直接观测系外行星也极其困难。而且，当时的天文学家对系外行星知之甚少，所以他们甚至不知道要寻找什么样的天体。这也是系外行星被发现如此缓慢的原因之一。

天文学家如何寻找难以直接观测的系外行星？系外行星绕恒星运行。许多人认为恒星由于其巨大的引力而单方面将行星拉在一起。但这是一个很大的误会。行星被恒星吸引，同时它们也被恒星吸引。因此，如果你对位于中心的恒星进行精确测量，你会发现它不会永远静止在同一个地方，而是会根据行星的位置而轻微摆动。天文学家试图通过观察此类恒星摆动来间接观察系外行星。

问题是如何观察恒星的摆动。在寻找系外行星的早期，研究人员试图通过精确测量恒星位置的变化来观察摆动。如果我们长时间观察一颗恒星并注意到它的位置发生轻微变化，那么就有可能存在一颗系外行星。这听起来很简单、容易，但实际观察起来却非常困难。这是因为与恒星吸引行星的力相比，行星吸引恒星的力非常小。

恒星的摆动非常小，恒星本身的视位置会因为地球自转和公转、星系自转等影响而发生变化。而且，由于地面存在大气波动，即使我们认为观测到了恒星摆动，也很难确定是否真的是由于系外行星的影响。在这种情况下，关于发现系外行星的消息多次被报道，但经核实，均属观测错误，令相关人士大失所望。

即使使用新方法，10 年内也没有观察到

在 20 世纪 80 年代，多普勒效应被用来搜索系外行星，而不是位置测量。多普勒效应是由于源物体的运动而发出声音或光时发生的变化。

假设您正在街上行走，一辆救护车来了。当救护车接近时，警笛声很高，但当救护车离开时，警笛声很低。这种现象是由多普勒效应引起的，救护车的速度导致警报器以更高或更低的音调到达听者的耳朵。

光也会产生多普勒效应。就光而言，接近观察者的物体发出的光的波长会变短，使其呈现蓝色；当物体远离观察者时，波长变长，使其呈现红色。换句话说，当从地球上观察一颗有行星的恒星发出的光时，它应该周期性地变得更蓝或更红。当然，这种变化是微妙的，但它比精确测量恒星的位置更容易观察。这种观测方法称为多普勒法（图2）。

人们认为随着多普勒方法的出现将会发现系外行星，但 20 世纪 80 年代结束时没有任何发现。于是，很多天文学家都放弃了寻找系外行星，而像我们的太阳这样拥有行星的恒星似乎也很少。

[图2]多普勒方法概述
当行星位于A位置时，主星也位于A位置，并且由于它接近观察者，波长变短，星光变得更蓝一些。相反，当行星位于A'处时，主星也在A'处并远离观察者，因此波长变得更长，星光变得更红一些。
©日本国立天文台
http://exoplanetmtknaoacjp/instrument/ird

发现的系外行星超出了常识

在20世纪90年代中期，当人们有这样一种无奈的感觉时，发现系外行星的报道突然传遍了全世界。它是由瑞士日内瓦大学的天文学家米歇尔·马约尔和他的学生迪迪埃·奎洛特发现的。利用多普勒方法，两位研究人员发现了飞马 51 b 行星（图 3），该行星绕飞马 51 恒星运行，距离地球约 51 光年。

虽然多普勒方法被许多天文学家使用，但十多年来没有发现系外行星。那么为什么马约尔和凯洛特能够发现系外行星呢？事实上，与我们太阳系中的行星相比，他们发现的系外行星是不相符的。

太阳系中有八颗行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。水星是距离太阳最近的行星，绕太阳运行一圈需要88个地球日。海王星是最外层的行星，绕太阳运行一周大约需要 165 年。观察太阳系中的行星，人们认为，由于行星绕恒星运行缓慢，因此多普勒效应导致的光变化周期会很长。

然而，Mayol 和 Kellot 发现的系外行星 51 Pegasi b 的轨道周期非常短，为 423 天。到目前为止，许多天文学家过于依赖太阳系中的行星，寻找轨道周期短至一年或长至100年的数据，并认为这是系外行星存在的证据。

之前的观测会提供大量与马约尔和凯洛特发现的系外行星类似的数据。然而，在如此短的时间内发生变化的数据被视为观察过程中出现的噪声而被忽略。换句话说，系外行星的发现被大大推迟了，因为太阳系中的行星被太多地用作参考，与这些参考不相符的数据被认为不是系外行星而被丢弃。

[图3] 飞马座51 b 行星的艺术想象图
©ESO/M。科恩梅瑟/尼克·瑞辛格

51 Pegasi b 由 Mayol 和 Kelow 发现，是一颗巨大的行星，质量约为地球的 149 倍。这颗大行星的轨道距离其主恒星约 780 万公里。这个距离大约仅为太阳与地球距离的1/20。 51 Pegasi B 远远超出了太阳系行星的常识，以至于许多人怀疑这是否是一个错误。不过，飞马座51 b的存在很快就被美国天文学家杰弗里·马西证实，使其成为在太阳以外的恒星系统中发现的第一颗行星。这一消息促使许多天文学家参与观测。几年之内，许多新的系外行星被发现，2002年发现数量超过100颗。

系外行星的进一步发现

除了多普勒方法之外，还有几种已知的方法来搜索系外行星。目前，凌日法（图4）是寻找系外行星最具代表性的方法。当从地球上观察恒星时，当一颗行星经过恒星前方时，恒星发出的光被行星阻挡，变得稍微变暗。凌日法是一种通过观察光的亮度变化来寻找系外行星的方法。这种方法早已为人所知，因为它比多普勒方法简单，只需要观察恒星亮度的变化。然而，缺点是除非系外行星在恒星和地球之间经过的轨道上运行，否则无法发现它们。此外，考虑到太阳系中的行星，凌日现象很少发生。例如，对于与木星轨道相同的行星，凌日现象每12年只能观测到一次。因此，该方法被认为实用性较低。

然而，由 Mayol 和 Quelot 发现的 51 Pegasi b 是一颗每四天绕恒星运行一周的行星。而且，越来越多的类似系外行星正在被发现。在这种情况下，美国哈佛大学研究生David Charbonneau于1999年利用凌日法成功发现了一颗系外行星。

[图4]公交方式概览
当一颗行星经过被观测恒星和观察者之间时，恒星的光线被阻挡，行星变得更暗。它比多普勒方法更容易，因为它只观察恒星亮度的变化。然而，如果行星的轨道没有经过观测者和被观测恒星之间，就无法探测到它。
https://astro-dicjp/transit-method/

此后，利用凌日法发现的系外行星数量将迅速增加。随后，美国国家航空航天局 (NASA) 于 2009 年发射了系外行星探测器开普勒号（图 5）。开普勒虽然被称为探测器，但实际上是一个利用凌日法寻找系外行星的太空望远镜。

配备42个225万像素的CCD，是迄今为止发射到太空的像素数最多的卫星，具有同时观测多颗恒星的能力。通过继续定期观察许多恒星，他们能够根据每颗恒星亮度的变化找到系外行星。虽然它不是一台大型望远镜，主镜直径为 14 m，但它能够发现比地面观测更小的系外行星，因为它不受大气波动的阻碍。

开普勒的初步观测于 2013 年 8 月结束，原因是控制其姿态的反作用轮出现故障。然而，通过使用留下的反作用轮来控制其姿态，它开始了名为K2的新观测任务。 K2任务一直持续到2018年10月30日，当时开普勒耗尽了燃料。

【图5】系外行星探测器开普勒观测图像
©NASA 艾姆斯/JPL-加州理工学院/T Pyle

系外行星彻底改变了宇宙学

九年间，开普勒观测到了超过 500,000 颗恒星。截至2019年11月30日，已发现4000多颗系外行星，其中2600多颗是通过开普勒观测数据发现的。从系外行星的统计数据来看，可以说宇宙中大多数恒星都拥有行星。

开普勒留下了大量的观测数据，分析尚未完成。当使用凌日法寻找系外行星时，检测恒星光量的变化非常重要。换句话说，为了发现系外行星，研究人员必须比较同一颗恒星的多张图像，以确认光线周期性变化，这需要时间进行分析。因此，正在研究使用机器学习（一种人工智能（AI）技术）进行自动化分析。这个想法是让人工智能学习迄今为止的分析结果，并选择发生凌日的恒星的数据。如果这项实验成功，预计发现的系外行星数量将会加速增加。

2018年4月，NASA发射了一颗新的系外行星探测卫星TESS（图6）。 TESS和开普勒一样，都是一颗利用凌日法搜索系外行星的卫星，但其目的是在距离地球较近的位置发现与地球相似的行星。 TESS配备了4个168兆像素的CCD，一次可以观测到比开普勒望远镜大350倍的空间。截至2019年11月30日，TESS已发现30多颗系外行星，未来数量还将持续增加。

【图6】系外行星探测卫星TESS观测图像
©美国宇航局戈达德太空飞行中心

目前已知的大多数系外行星都是利用凌日法或多普勒法间接发现的。最近，斯巴鲁望远镜结合自适应光学技术，成功地直接拍摄系外行星，消除了大气波动，捕捉到更清晰的天体图像。然而，直接成像的系外行星数量仍然不是很多。未来随着系外行星直接成像研究的进展，预计我们将能够更好地了解系外行星的环境，并导致地外生命的发现。

梅奥尔和凯洛特的发现表明，人类多年来寻找的系外行星实际上存在于我们的宇宙中。在过去的 25 年里，人们已经清楚地认识到行星并不是太阳系所独有的，而是宇宙中大多数恒星所共有的。而在存在的无数行星中，毫无疑问，有一些像地球一样支持生命。

这两位研究人员的发现改变了宇宙，以前被视为荒凉的空间，被视为一个拥有生命存在潜力的丰富空间。这给宇宙学带来了堪比日心说推翻地心说的重大变革。为了表彰他们的成就，马约尔和凯洛被授予 2019 年诺贝尔物理学奖。

系外行星研究已发展成为一个主要的学术领域，对外星生命的搜寻现已超越了天文学、物理学和生物学等传统学术领域的界限。对系外行星的研究可能为解答人类长期以来的疑问提供重要线索，例如太阳系之谜、地球的诞生、生命的诞生等。

作家

荒船芳孝（荒船芳孝）

科学作家

在东京理科大学就读期间开始担任科普作家。他的研究领域广泛，从宇宙学到日常生活中经历的科学现象，并进行研究和写作活动。我想向尽可能多的人传达科学的乐趣，科学每天都在不断有新的发现。他的主要著作包括《通过五个谜团了解宇宙》（平文社）和《你想告诉人们的关于地球的神秘琐事》（长冈书店）。