肉眼能看到系外行星？用這個方法就可以！

2014年5月，加拿大蒙特利爾大學的天文學家通過直接影像法，在雙魚座方向發現了一顆新的系外行星GU Psc b。它與母星的距離約2000AU（1AU=1.5億公里），是目前發現的距離母星最遙遠的系外行星，公轉一周需要8萬個地球年。

看到這個消息，許多小夥伴都驚呆了：系外行星居然還可以用「直接影像法」觀測到！

是的，聽起來不可思議，不過「直接影像法」確實是尋找系外行星的一種方法。今天我們就來了解一些關於「直接影像法」的二三事。

系外行星的直接觀測是非常困難的。小而黯淡的行星很容易被它們母星明亮的光線所掩蓋。只有滿足一些特殊的條件時，才能用望遠鏡直接觀測到它們。

最早的系外行星直接影像

2004年7月，一個天文學家團隊利用歐洲南方天文台（ESO）的甚大望遠鏡陣列（VLT）拍到了200光年外一個「行星質量天體」2M1207b。它非常靠近半人馬座的褐矮星2M1207，質量大約是木星的3到10倍。進一步的觀測證實它圍繞著2M1207旋轉，因此許多人把它看作人類首次直接拍攝到的系外行星。但另一些人則抱有懷疑的態度：他們認為這顆行星之所以能被拍到，是因為它的母星是一顆褐矮星，比真正的恆星黯淡很多。而行星應該是圍繞恆星而不是褐矮星旋轉，所以他們認為它稱不上一顆行星。（沒有母星的「流浪者行星」們哭了……）

VLT拍到的2M1207（藍白色）與2M1207b（紅色）。在地球的天空中，這兩個天體的距離小於1角秒。圖/ESO

2008年11月，一組天文學家宣布，他們用哈勃望遠鏡拍到了北落師門（即「南魚座α星」）周圍的一顆行星（北落師門b）。北落師門周邊圍繞著一圈厚厚的塵埃盤。塵埃盤的內邊緣被科學家認為是行星「北落師門b」清理出來的軌道。根據這個，科學家能在哈勃望遠鏡拍攝的圖片中定位出它的準確位置。這顆行星的質量不超過木星的2倍，但極其明亮。天文學家認為，它太小了，以至於根本不可能被拍下，我們拍到的，只是它周圍一個比土星光環厚、也更炫目的光環系統。

哈勃望遠鏡拍攝的這幅可見光照片，顯示了北落師門周圍的情況，包括它的塵埃盤和的行星。恆星的光芒被日冕儀遮掩。

在北落師門b消息發布的同一天，另一組天文學家也宣布，他們拍到了3顆圍繞恆星HR8799旋轉的系外行星。與北落師門b不同，它們被拍到了實體的影像（紅外）。HR8799是一顆年輕的恆星，因此它周圍的行星仍處於炙熱的狀態，在紅外波段非常顯眼。不過，在可見光波段中，這些行星還是遠遠不足以被肉眼看到。

HR8799和三個行星

HR8799的三顆行星想像圖。圖/Lynette Cook

日冕儀：撥開光芒的迷霧

為了遮掩母星強烈的光線，需要用到「日冕儀」。

日冕儀（Coronagraph）實際上是一種人造「日食」，由法國默東天文台的貝爾納·費迪南·李奧在1930年發明，當時主要用來研究太陽的日冕和日珥的形態及光譜變化，現在越來越多地改進用來尋找系外行星。

用日冕儀把恆星的光遮住之後，只要有精良的儀器，那麼觀測到恆星周圍的行星，就更容易了。

渦狀日冕儀：小口徑福音

2010年，NASA主持的TPF計劃（Terrestrial Planet Finder）中，帕薩迪納噴氣推進實驗室的Gene Serabyn和他的同事開發了一種新的日冕儀——「渦狀日冕儀」（vortex coronagraph），將日冕儀和自適應光學（用來去掉大氣湍流造成的擾動）結合起來，可以讓口徑更小的望遠鏡直接拍攝到系外行星。該團隊使用威爾遜山天文台海爾望遠鏡1.5米的一部分鏡面拍攝到了前文所述的恆星HR 8799周圍的三顆行星。

Gene Serabyn和同事用渦狀日冕儀，利用小望遠鏡拍到的HR8799三星

這三顆被稱為HR8799b、c和d的行星，就是前文所述的與「北落師門b」同一天發布的那三顆行星。它們被認為是類木的氣體行星，但是質量更大。與母星的距離分別為24、38和68個AU。它們最早是被夏威夷島上的兩個較大的望遠鏡捕捉到。

Serabyn估計，即使在2m口徑的望遠鏡上，渦狀日冕儀也可以分辨30光年以外、1個天文單位之內的行星。

如果小望遠鏡也能發現系外行星，這就意味著，大望遠鏡將能發現以前更難發現的行星：那些離我們更遠、距母星更近、體積更小、也更像地球的行星——目前發現的地外行星大部分都是體積很大、類似木星的氣體行星。而前者才是我們尋找地外生命的主要目標。

最先進的GPI

雙子座行星成像儀（GPI），是位於智利的南雙子座天文台8米口徑望遠鏡的一個裝置。它不僅可以解決母星光芒的干擾，篩選出系外行星微弱的光線，還可以分析系外行星的大氣成分和溫度。

GPI由一個用來移除大氣擾動的自適應光學系統、一個擋住恆星星光的日冕儀、一個紅外線探測儀和一個光譜儀組成。成像儀可以通過分析行星的光譜來確定它的成分以及表面溫度，還可以拍攝偏振光照片。

GPI拍下了第一張行星的照片——Beta Pictoris b，圍繞著恆星Beta Pictoris旋轉。恆星被日冕儀遮擋。

還記得「太空小陀螺」Beta Pictoris b嗎？GPI拍攝的第一個行星就是它。於2013年11月11日光棍節那天拍攝。GPI花了60秒來拍攝這張照片，而以前這個過程需要1個小時。

這顆發現於2008年的巨行星比木星大2/3，質量是地球的3000倍，位於63光年外，圍繞一顆叫繪架座β（Beta Pictoris）的恆星旋轉。最近，科學家測量出它的自轉周期僅8小時，赤道時速10萬公里，是地球的60倍。這也是人類第一次測出系外行星的自轉速度。

通過GPI，科學家發現Beta Pictoris b公轉一周需要花20.5年，距離母星的距離是地日距離的9倍，比土星的距離稍近一點。

GPI拍下年輕的恆星HR4796A周圍的塵埃盤發出光線。這個狹窄的光環被認為是小行星或彗星留下的。一些科學家認為，光環狹長的形狀是由一顆看不見的行星造成的。

GPI比以前的系統靈敏8倍。科學家準備用1年的時間來調整它。從2014年11月開始，計劃花3到4年的時間來掃描600顆年輕的恆星，尋找更多的行星。

「直接影像法」的魔力

對人類來說，「看見」是有魔力的。能直接看見這些系外行星，彷彿我們也離他們更近了一些。

而對於科學家來說，這些被直接影像法「看見」的系外行星，提供了非常有價值的線索。比如，北落師門b與原行星盤的相互關係，以及它在紅外波段不可見的特性，說明它的質量非常小。然而它卻發出耀眼的光芒，據此科學家判斷它周圍有一個厚重的光環系統。在HR8799中，行星發出的紅外輻射，結合行星起源的模型，科學家可以初步估計它的質量。

直接影像法適用於那些距離母星較遠，且行星軌道面向地球的行星。這是對「徑向速度法」的補充，因為徑向速度法適用於那些離母星較近、且軌道邊緣面對地球的行星系統。

其他探測系外行星的方法還有凌日法、微引力透鏡法等。微引力透鏡法前段時間發現了第一顆疑似系外衛星。

不過每一種方法都有其局限性，比如，微引力透鏡發生的幾率非常小，而且基本上不可能再發生第二次，因此不可能進行持續的研究。

最後，期待GPI能給我們帶來更多可以「看見」的系外行星，一定會讓人類在生命起源的探索之路上走得更遠。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！