系外行星「獵手」 是怎樣煉成的

6月19日，開普勒望遠鏡觀測組公布了基於開普勒空間望遠鏡頭四年觀測數據的第八批，也是最後一批數據結果，為行星候選者又增加了219個成員。其中有10個是和地球的大小相當並處於宜居帶上。迄今為止，開普勒望遠鏡一共發現了2335個地外行星，其中30個被認為是和地球類似的處於宜居帶上的行星。

NASA官網的統計數據顯示，目前通過各種觀測方法一共確認發現了3400多個地外行星，其中開普勒望遠鏡的發現佔了2/3。開普勒望遠鏡尋找地外行星的效率如此高，與它成功的項目設計分不開。

尋找比地球還要小的行星

2009年3月，美國國家航空航天局的開普勒望遠鏡發射升空。這台0.95米口徑的施密特望遠鏡的核心任務是持續觀測銀河系內某固定天區的大量恆星，由此來廣泛搜尋地外行星，從而解答這樣一個問題：在我們的銀河系中和地球類似的行星是否普遍存在？特別是，是否普遍存在處在宜居帶上的行星？這些數據和長久以來大家熱衷的是否存在地外生命的問題息息相關。

在數年的觀測中，開普勒望遠鏡每30分鐘記錄一次，持續觀測了目標天區內超過15萬顆恆星。基於大視場和高測光精度的優勢，開普勒望遠鏡可探測到極微小的恆星光變，因此可以發現比地球還要小的行星的蹤跡。

開普勒望遠鏡採用了「凌星法」來搜索地外行星。「凌星法」又稱「掩食法」，即利用當行星從恆星的盤面經過時，發生的掩食現象來尋找行星。

在地球上的我們觀測到金星凌日和水星凌日時，可以看到一個行星如同一個黑點從太陽的光球面上掠過。這個過程中，行星會遮擋掉很微小一部分恆星發出的光。當觀測者距離恆星很遠，不能直接觀測到行星的時候，也可以通過觀測恆星光度周期性的微小下降和回升來間接探知行星的存在。如果一個系統發生的幾次掩食具有相同的光變幅度、掩食時長以及事件周期，那就可能是一個以該周期公轉的行星。而且這種方法可以通過光變的幅度得到行星和恆星的大小比值，進而得到行星的大小。

這種方法存在一定的虛假率，所以需要結合其他方法來進一步確定這是一顆行星。因此它們在被發現的初期，都被稱為候選者。

這個方法並非十全十美。只有觀測者的視線方向與行星的公轉軌道幾乎在同一平面上時，才能觀察到掩食現象。因此即使是擁有行星的系統，也只有一小部分可以用這種方法觀測到，其概率正比於恆星大小和行星軌道半徑的比值。比如一個距離主星很近的熱木星掩食的概率約為10%，而地球這樣的位於太陽系宜居帶上的行星，掩食的概率不到1%。儘管如此，如果能同時掃描上萬個恆星組成的大樣本，仍可以用這種方法找到數量可觀的行星系統。

在太空監測星星「眨眼」的瞬間

想要發現地球大小的行星，對望遠鏡測光的精度要求很高。木星大小的行星掩食太陽可以造成1%—2%的光變，而一個地球大小的行星掩食太陽所能引起的光變只有84ppm（1ppm=百萬分之一）。

如果從地面上進行觀測，首先就要設法消除大氣擾動引起的恆星光度的變化。如果一個人站在地球上用肉眼就可以察覺某恆星的光度變化，它的光變程度已經遠超過一般的行星掩食所造成的光變幅度了。地面觀測者們做了大量的努力來消除這個影響，目前這種擾動造成的影響可以控制到千分之一的程度。在這種精確度下可以找到木星大小的地外行星，但對於尋找地球大小的行星就無能為力了。

另一方面，掩食持續的時間通常只有幾個小時，如果想要持續觀測某恆星的光變，就必須在地球各處安放望遠鏡，保證任何時刻總有一台望遠鏡是在夜晚工作的。同時，如果想要找到類似地球—太陽的地外行星系統的多次掩食，就需要長達幾年的觀測時間。想要找到一個固定天區進行如此長時間的監測，對地面觀測來說是極為困難的。所以必須藉助空間望遠鏡來完成這個任務。

恆星本身也會有光度變化，比如我們的太陽有11年的活動周期和二十多天的自轉周期，這些都會引起自身光度的變化。但是在短短几個小時的行星掩食過程中，這些機制引起的光變幅度大概只有1ppm，相比於地球掩食引起的84ppm來說還是很小的。而且這類光變大部分發生在紫外波段，並不屬於開普勒望遠鏡的觀測波段，不會造成很大的影響。

為了擁有更加穩定的平台，開普勒望遠鏡沒有選擇繞地球運行的軌道，而是選擇尾隨地球的腳步，圍繞太陽為中心旋轉。

在觀測天區的選擇上，由於掩星過程的持續時間通常不到一天，因此觀測的採樣率不得低於若干小時一次的頻率。這樣才能保證有足夠的恆星光變數據來進行分析。這要求被觀測的天區在整個觀測中不被遮擋。

鑒於開普勒望遠鏡的運行軌道是以太陽為中心的。為了避免太陽系天體的掩食干擾，目標天區最好選在黃道面，即地球繞太陽公轉的軌道平面以外。另一方面，需要儘可能大的恆星樣本來研究這些地外行星系統在結構上的異同。這又要求該天區內有儘可能多的目標恆星，但為了避免背景干擾，最好要避開一點銀道面的位置。基於以上種種條件，開普勒望遠鏡將鏡頭對準了天鵝座和天琴座區域。

系外行星比想像的要多

作為首個用於探測太陽系外類地行星的飛行器，開普勒望遠鏡的工作可謂出色。一方面，對大量地外行星系統的「人口普查」，可以幫助科學家更好地從宏觀層面理解行星的大小和軌道的分布特性。另一方面，根據已經探測到的行星數量和掩食發生的概率，科學家可以估算出那些被漏掉的行星數量，進而推測出地外行星系統是否普遍存在。

在開普勒望遠鏡升空前，科學家們預測太陽系外類似地球的行星大概每100個恆星中才會有一個，而在今年六月的開普勒會議上，科學家們認為這個概率很可能被大大地低估了。明年即將啟動的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡還會為人們帶來更多關於行星大氣的數據。如果能夠找到那些與地球大氣組分類似的行星，那麼找到地外生命的可能性就會進一步提高。（作者系香港大學地球科學系博士後 張曉佳）

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