怎樣尋找系外行星？

直到1991年，太陽還是當時已知的唯一一顆帶有行星的恒星。當天文學(xué)家亞歷克斯·沃爾茲森發(fā)現(xiàn)室女座的一顆脈沖星周圍有兩顆行星后，事情發(fā)生了改變。自從這一發(fā)現(xiàn)以來，在其他恒星周圍已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過50顆的行星。這些行星被稱為“系外行星”。那么，科學(xué)家究竟是如何尋找并最終發(fā)現(xiàn)這些行星的呢？

人類具有超凡的創(chuàng)造力。每個夜晚，有幾千個也可能是幾萬個天文學(xué)家使用小型工具，有時可能只是一架望遠鏡遙望星空。因此，他們花費大量的時間想出各種不同的方法來使用這些工具。通過使用有限的工具，就能夠找到距離我們幾萬億千米以外的像行星那么小的物體，這真是一件了不起的壯舉。

行星是什么

除地球之外，太陽系還有另外的7顆行星。那么，行星究竟是什么呢？行星的定義是：圍繞恒星轉(zhuǎn)動的、以表面反射恒星的光而發(fā)亮的巨大星體。行星在質(zhì)量、構(gòu)成、與恒星的距離方面差異很大。太陽系的行星可以分為3類。

◇ 類地行星：水星、金星、地球和火星。這些行星都由巖石構(gòu)成，離太陽較近。

◇ 類木行星：木星、土星、天王星和海王星。這些行星質(zhì)量巨大，是地球質(zhì)量的幾百倍。它們都有濃密的大氣層，主要成分是氫，其次是氦、氨和甲烷。這些氣體可能覆蓋著由巖石構(gòu)成的內(nèi)核。

◇ 其他天體：彗星、小行星以及柯伊伯帶中的天體。這些天體由巖石和冰塊混合物構(gòu)成。

太陽系中的行星是由構(gòu)成太陽的旋轉(zhuǎn)氣體和灰塵圓盤形成的。早期太陽系中的氫和灰塵落入圓盤中心，形成原太陽，氣體和灰塵被加熱到可持續(xù)進行核聚變的溫度。同時，圓盤外側(cè)會形成更小的灰塵和氣體塊，它們被稱為微行星。當原太陽被“點燃”時，它把灰塵和氣體吹離它的附近。微行星結(jié)合形成行星。科學(xué)家相信其他太陽系曾經(jīng)或正在以同樣的方式形成。

尋找系外行星

由于恒星的光線十分耀眼，恒星反射的光線常常淹沒其中，因此，要在其他恒星周圍尋找行星十分困難。這個過程就像在探照燈前觀看蠟燭的燭光一樣。目前，探測系外行星的唯一方法是測量這些行星對其母星的影響。行星影響母星的方式有兩種：當行星繞著恒星轉(zhuǎn)動時，會對恒星產(chǎn)生一定的拉力；當行星運動到恒星和我們的視線之間（恒星光線被遮擋的部分）時，會使恒星發(fā)出的光變暗。我們在地球上可以通過以下3種方法測量行星運動對恒星產(chǎn)生的影響。

◇ 天體測量學(xué)：測量恒星在天空中的準確位置。

◇ 多普勒光譜學(xué)：測量恒星光線的波長分布。

◇ 光度學(xué)：測量恒星光線的強度和亮度。

適合生存的區(qū)域

◎ 天體測量學(xué)

行星由于其自身重力的牽引力，會對恒星產(chǎn)生一定的拉力，使恒星運動軌道發(fā)生顫動。通過細致精確地測量恒星的位置，我們可以探測到這種極其微弱的顫動。我們掌握了顫動周期（最高點到最高點或最低點到最低點的時間）后，就可以計算行星軌道的周期、行星軌道的距離或半徑和行星的質(zhì)量。

◎ 多普勒光譜學(xué)

當行星繞著恒星轉(zhuǎn)動時，會使恒星離地球（我們的觀測點）的距離時遠時近。這會使恒星光線的光譜產(chǎn)生變化。

當恒星向著地球運動時，光波變短，移向光譜的藍端（波長較短）；而當恒星遠離地球時，光波伸長，移向光譜的紅端（波長較長）。恒星光線的光譜發(fā)生的這種變化被稱為“多普勒頻移”。通過長期觀測恒星的光譜，我們就可以探測出這種能證明行星存在的頻移。我們也可以通過多普勒頻移的方法測量恒星運動的徑向速度，即恒星與我們做相向和相背運動時的速度。

從理論上說，我們可以通過徑向速度來推斷行星的大小。質(zhì)量大的行星比質(zhì)量小的行星重力作用大，對恒星產(chǎn)生的拉力也更大，恒星產(chǎn)生的徑向速度也更大。如果我們用徑向速度和時間來制表，可以得到一個正弦曲線。根據(jù)周期和行星的質(zhì)量，可以計算出行星到恒星的距離——行星的軌道半徑。根據(jù)曲線的振幅，可以計算出行星的質(zhì)量。

◎ 光度學(xué)

如果系外行星的軌道與地球看上去在一條直線上，就表示行星即將從恒星與地球之間通過。當行星從恒星前通過時，會遮擋一部分恒星的光線，恒星就會顯得有點暗（亮度減弱2%～5%）。當行星轉(zhuǎn)到恒星后面時，恒星就恢復(fù)了平時的亮度。如果我們長期堅持測量恒星光線的強度，我們就可以探測其亮度的變化，這也是行星或行星群可能存在的標志。

未來的行星探測

NASA（美國國家航空和航天局）的局長丹尼爾·戈爾丁為NASA確立了一個重要目標：尋找與地球相似的、圍繞其他恒星轉(zhuǎn)動的行星。NASA計劃發(fā)射一系列被稱為“TPF”（類地行星發(fā)現(xiàn)者號）的望遠鏡，以實現(xiàn)這一目標。TPF由4個光學(xué)望遠鏡和1臺合成儀器組成，每個望遠鏡都可以探測目標恒星發(fā)出的光線。它可以利用“零信號干涉測量法”技術(shù)來合成光線，去掉恒星發(fā)出的光線。NASA最新開發(fā)的精確飛行方法可以使這組儀器保持一定的排列形式。

當恒星的光線被去掉后，就可以對行星光線的光譜進行分析，檢測行星大氣層的物質(zhì)是否與地球上的物質(zhì)類似。

TPF目前仍處于研制階段，一旦投入使用，這組天文望遠鏡系統(tǒng)將掀起一場行星探索和宇宙生命探索的革命。