天文學家是如何發現系外行星的？

什麼是系外行星？

系外行星，就是太陽系之外的行星。太陽是恆星，太陽系是一個恆星系統，主要由太陽以及八大行星和其它小天體構成。

太陽系內有金木水火土五大行星，再算上地球、天王星和海王星，總共是八大行星。人類對太陽系的深入探索已經有半個世紀了，人類已經向八大行星分別發射了數十個探測器，其中人類向火星和金星發射的探測器數量最多。通過對太陽系八大行星的研究，科學家們根據相關數據，建立了關於行星的形成及演化理論。

銀河系很大，直徑大約10萬到20萬光年，銀河系裡估計有2000億顆恆星。太陽是一顆黃矮星，銀河系中像太陽這樣的黃矮星大約有60億顆，佔銀河系恆星總量的3%。銀河系中有這麼多恆星，按理來說，它們應該也像太陽一樣擁有幾顆行星。其它種類的恆星也可能擁有行星。

     

截至目前，人類已經發現了幾千顆系外行星，而且其中有少量類似於地球的行星。距離地球最近的恆星是比鄰星，光從比鄰星到達地球需要4.2年。人類從夜空中只能用肉眼看到6000多顆恆星，由於距離遙遠，看到的都是一個閃閃發光的點。行星本身並不會發光，行星雖然會反射恆星的光芒，但是由於恆星之間的距離太遙遠，從地球上很難通過天文望遠鏡直接發現系外行星的存在，那科學家又是通過什麼方法發現的呢？

系外行星是如何被發現的？

用天文望遠鏡直接拍照，顯然是不切實際的。既然不能直接發現，那我們就用間接法。常用的主要可以分為兩種方式：恆星擺動觀測法和行星凌日觀測法。

1，恆星擺動觀測法

行星除了自轉，還在圍繞恆星以橢圓軌道做周期運動。普通人眼中，小質量的天體總是在圍繞大質量天體運轉。實際上，它們在圍繞著共同的質心旋轉。

以木星例，通常認為木星在繞著太陽旋轉，實際上木星和太陽在繞著它們的公共質心旋轉（如下圖所示）。太陽佔太陽系總質量的99.9%，而木星的質量是太陽系內其它七大行星總質量的2.5倍，大約是太陽質量的千分之一。因此，木星和太陽的公共質心位於太陽表面之外，這樣太陽便會出現明顯的擺動現象。下邊動圖中的描述顯然有點誇張。

     

關於恆星的擺動，一種是直接追蹤恆星在天空中的運動軌跡的微小變來確定行星的存在。2010年發現的系外行星HD176051b，就是藉由這種方式發現的。不過這種測量方式運用比較困難。

另一種則是通過測量恆星受行星影響在天空中產生的擺動所引起的恆星光芒的變化，來確定行星的位置和質量。遙遠恆星運動時與地球發生遠近變化，這會產生都卜勒效應。當恆星遠離我們時，該恆星的光譜會發生紅移；當恆星靠近我們時，該恆星的光譜會發生藍移。通過測量恆星光譜的微小變化，天文學家就能確認系外行星的存在。目前最先進的光譜儀已經能夠檢測到1米/秒的速度變化。這種探測方法又被稱之為徑向速度法。

     

上圖為恆星擺動時產生的都卜勒效應。

總結起來，行星對恆星的運動會產生各種影響，會讓地球上的觀察者看到的恆星的一些屬性發生微小的變化，比如亮度、速度、光譜等，通過觀測這些變化，以此來確定行星的存在，還可以確認系外行星的一些相關數據。這就是恆星搖擺觀測。

這是目前卓有成效的方法，許多系外行星都是通過這種方法被發現的。不過，這種方法只能尋找質量較大且比較靠近恆星的行星，質量較小的行星對恆星產生的影響極其微弱，很難檢測到。目前的技術，只能夠發現200光年內的恆星變化。理論上來說，只要儀器足夠靈敏，就可以檢測到更遠處恆星的變化。

2，行星凌日觀測法

行星凌日這種現象，在太陽系內就可以看得到。在地球軌道內還有水星和金星，在地球上就可以看到水星凌日或金星凌日這種天文現象，條件是恆星、行星和觀測者三者基本上處於同一直線上。

以水星凌日為例，水星的公轉周期為88天，太陽、水星、地球排成一條直線，這種現象一個世紀平均發生13次。不過由於銀河系中恆星眾多，行星的數量應該更多，觀測到這種現象的機率就大多了。

     

     

如圖所示，水星凌日和金星凌日現象，太陽表面好像出現了一個很大的黑子。

當行星在觀察者的視線中通過恆星表面時，會遮擋一部分恆星的光線，這會引起恆星的亮度發生變化，由此便可以確認行星的存在。若我們知道恆星的相關數據，還可以用該方法確認行星的直徑。不過這種方法也有缺陷，有時候可能是其它天體遮擋了該恆星的光線，因此往往需要配合其它觀測方法來驗證行星的存在。這是人類發現系外行星的重要方法之一。

行星凌日時還會產生另一種效應——引力透鏡效應，這是相對論中的成果。比如太陽就能彎折背景恆星發出的光（當星光通過太陽附近時，理論上會發生1.75角秒的偏折），形成引力微透鏡。行星也能夠對恆星的光線產生彎曲。不過這種變化實在太微小了，行星對光線的偏折角更微小，因此這種測量方法目前只停留在理論上，實際應用非常困難。

     

上圖為引力透鏡效應示意圖。

3，其它方式

此外，行星的運動還會使恆星的視亮度發生改變，恆星的實際亮度並不會改變。行星的引力能夠使恆星發出的光線產生變化，進而影響到恆星的視亮度。地球上的精密儀器接收到的亮度會發生微小的變化，通過檢測這種亮度變化也能確定行星的存在。不過這種測量方式也非常困難。

綜上所述，由於行星幾乎不發光，根本原理還是通過觀測恆星來確認行星的存在，因為行星的存在必然會影響到恆星。這就是科學上常見的間接觀測法。

系外行星的發現史

在很久以前，天文學家就相信，宇宙中一定存在著與太陽系類似的恆星系統，而且還有可能存在與地球類似的行星，還可能存在與地球生命類似的生命，因為宇宙實在太大了。

直到上世紀90年代，隨著天文觀測技術的革新（主要是因為人類發射了太空望遠鏡），硬體達到了應有的水平，天文學家開始證實腦中的想法，第1批系外行星也就在這個時期被發現了。到了新世紀，天文學家發現的系外行星的數量越來越多，我們更有理由相信，宇宙中行星的數量非常龐大，宇宙中一定存在別的生命。

     

如圖所示，系外行星Kepler 186 f 的假想圖。

在這個觀測過程中，天文學家發現了一些不圍繞任何恆星旋轉的行星，這些天體擁有行星般的大小，我們可以把它稱之為流浪行星。

截至目前，天文學家已經發現了4000來顆系外行星。NASA曾於2009年發射了專門用於探測系外行星的望遠鏡——克卜勒太空望遠鏡，已於2018年退役。該望遠鏡可以觀測10萬顆恆星的光度，用來檢查是否有行星凌日現象發生。僅克卜勒太空望遠鏡就發現了1000多顆系外行星。

     

以目前的技術水平，人類也就只能觀測銀河系內很小範圍內的系外行星。希望人類有一天可以衝出太陽系，直接向最近的系外行星發射探測器。