寻找地球的孪生星球：圣彼得堡国立大学天文学家介绍系外行星探测及太阳系诞生理论

罗曼·弗拉基米罗维奇，请您讲一讲，什么是系外行星，它们都是什么样的？

所谓系外行星，是指那些太阳系之外的行星，它们不是围绕太阳，而是围绕其他恒星运转。

1995年发现了最早的系外行星，也就是所谓的热木星。天文学家们发现了整整一系列的天体，质量和我们的木星非常接近，但它们距离自己的恒星要近得多——小于0.1个天文单位。正因如此，这些行星表面温度非常高，接近1000度开氏温度。在太阳系这样的行星是不存在的。

天文单位，是天文学惯用的距离单位，相当于日地平均距离。比如，水星（距离太阳最近的行星）到太阳的距离约为0.3—0.4个天文单位。

起初天文学家们觉得这是占据主体地位的系外行星，因为当时并没有发现其他的。这是因为，以当时观测工具能够达到的精度来说，热木星是相对比较容易被发现的。但后来，大约从2000年开始，观测工具越来越先进，就发现了距离本系恒星更远的系外行星，其中有些也很像我们的木星。人们这才意识到，热木星的数量其实并不算多。

除此之外，在系外行星当中还有所谓的热地球，它们与自己的恒星距离也很近，但是因为温度过高，不存在生命，也不可能存在生命。此外还区分出了热海王星、热超级地球。

天文学家们为什么要寻找新的行星呢？这能帮助我们理解什么？

很久以来，研究者们都在试图解答星系的形成理论问题，但是只能以太阳系的数据为基础。可地球是十分独特的行星，这里产生了人类和其他生命。应该来说，在整个宇宙这都是十分罕见的，我们目前还不知道有其他行星同样存在生命。哪怕我们把自己的星系研究到了化学成分的精细地步，了解了它的起源，但仍然无法回答这样一个问题：地球在全宇宙真的是独一无二的吗？

最早发现的系外行星为我们提供了额外的统计数据，足以帮助我们提出新的星系起源理论。正是那些热木星打破了现有观念，因为其诞生无法用旧的理论来解释。在我们星系，木星只有一个，它距离太阳大约有5个天文单位，而且质量相当大。而在太阳系的核心区域运转的都是体积相对较小的行星：水星、金星、地球、火星。而被发现的最早的系外行星，恰恰是体积庞大的热木星，它与自己的恒星的距离只是地日距离的二十分之一。我们不知道该如何解释它们的诞生，因为如果距离恒星这么近，按理说根本没有足够的物质构成体积如此庞大的行星。

因此科学家们提出一种基于行星迁徙的理论。这种理论认为，热木星是在距离恒星很远的地方形成的，但在与原行星盘相互作用的过程中，越来越靠近恒星，逐渐迁徙到了星系核心区域。直到现在我们还能看见物质从原行星盘散落的位置。

原行星盘是指在新诞生的恒星周围旋转的高密度星云，行星所赖以形成的物质便来自于此。

这里有一个问题：为什么我们的木星没有迁徙呢？这取决于原行星盘的参数，比如有多少初始物质，黏性及化学成分如何等等。这里涉及到高深的数学、流体动力学，甚至是磁流体动力学，为此形成了一个专业的科学领域。

此外还补充完善了非迁徙的行星形成理论，它可以用来解释那些距离恒星较近的行星的诞生——原行星盘万有引力的不稳定性。系外行星的发现极大地推动了这些研究，由此形成了天文学的一个专业领域。

天文学家们是如何获得这些系外行星的参数的呢，要知道我们在地球上，离它们那么远？

那些距离恒星很近的行星，温度太高，自己就能发出红外线光，当它们转到恒星盘后面时我们就能够监测到这种光。当行星从恒星盘后面转出来时，恒星的光就会受到轻微影响，如果我们建立一个光谱，就能发现行星增添了自己的线条，我们能够将其记录下来并作出解释。这样我们就掌握了关于行星大气层组成成分的大致信息。这是很有用的，因为我们知道太阳系巨行星的化学成分，而系外行星则可能与此有根本性差别。这也是单独的一门科学。

还有一个科研方向，就是研究行星大气层的活跃程度。当行星位于恒星盘背后时，这一效果同样可以借助光谱的红外线区域记录并测量这一现象的非对称性。这可以帮助我们掌握行星表面亮度的不均匀分布——在中心（即赤道地带）大气层永远是更热的。除此之外，当行星旋转时，由于不同的流体动力学效果，那里会产生强烈的风。这些热斑可能会发生位移，并且形成某种独特的形状。这样一来我们就能够获得行星的流体动力学和热学信息。

由于系外行星的种类非常多，它们就相当于我们的一个试验锅炉，一个由大自然创造的得天独厚的实验室。

寻找系外行星的方法都有哪些？

寻找系外行星的方法有好几种。最基本的一种是径向速度法，又称多普勒法。借助地面天文望远镜我们可以发现，恒星由于来自行星的重力干扰会发生轻微的摆动。但我们看到的并非摆动本身，而是恒星射线速率的波动，也就是被观察对象远离或靠近观察者的速度，这些我们可以借助光谱方法来进行测量。也就是说，我们可以通过恒星光线细微参数的变化来发现系外行星，更准确地说，是借助多普勒效应来观测光谱线条的周期性位移。

多普勒效应，以奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒的名字命名，揭示了由光源和观测者在空间中的位移所引起的光波长度及频率的变化。

还有一种天体测量学方法，科学家们观测的不是恒星光线的光谱参数，而是恒星围绕其与行星共同的质量中心的直接波动。这是非常别出心裁的办法，因为这种效果是很难观测到的。正是为了此类观测目的，2013年才发射了盖亚（Gaia）空间天体观测卫星。这颗卫星已经巡行了很久了，未来很有可能会帮助我们找到大量的新行星。但目前为止，它所收集到的信息还不够，因为对于如此精密的测算，必须掌握整个考察期间的全部信息，更何况这些信息还需要用大量的专门算法进行处理。

还有一种重力微透镜法，能够发现那些围绕距离我们非常遥远的恒星运转的行星。从地球上看过去，这些遥远而黯淡的星团共同形成了银河。有时候会出现这样的情形：两颗毫不相干的、距离地球远近不同的恒星，会无意之间处在同一直线上。这时候，距离我们更近的那颗恒星由于本身重力的缘故会把背景恒星的光线聚焦在观测者身上。这时，背景恒星就会出现增亮，这一过程会持续数小时至数天不等。如果在靠我们更近的恒星周围存在行星的话，那么每一颗行星都相当于一只小小的透镜。这时我们就会在整体的增亮曲线上发现异常，这就是由这些行星引起的。

这里需要一切都很凑巧：恒星彼此处于一条直线，行星轨道也符合期待标准，而且这些行星本身也处在必要的位置。因此，这种天文学现象十分罕见，是可遇而不可求的。不过这个办法曾一度很流行，特别是在OGLE项目运作期间，该项目的主要目的就是在银河系探测微透镜。当时发现了相当数量的行星。但这个办法有一个较大的缺点，每个天体的微透镜只重复一次。

OGLE项目全称为“光学重力透镜实验”（Optical Gravitational Lensing Experiment），是波兰与美国联合开展的一个天文学项目，旨在借助重力微透镜方法研究暗物质。

目前探测系外行星的另外一种可以与多普勒法竞争的基本方法是凌星法。这是光度学的方法，主要用于探测那些靠近母恒星运转的行星。因为距离比较近，所以行星就有可能从母恒星和地球之间经过，我们就能周期性地观测到行星投影到母恒星表面。行星本身我们仍然是看不到的，但我们能够观察到它会周期性地将母恒星的亮度减弱约1%。为了发现这一点需要用到精密光度学，但比多普勒法要简单些。后者需要建成特殊的高精度的摄谱仪，而前者则不需要如此精密。

但这种办法也有一个问题，就是行星的运转轨道必须与地球形成合适的角度，才能够发生这些周期性的通过。如果其运转轨道是平着的，那么即便通过了也不会被发现。这种概率是非常低的。如果行星距离恒星像地球距离太阳这么远，被发现的概率就非常小。行星距离恒星越近，被发现的概率就会增加，但总体来说仍然是很小的。

您在研究中使用哪种方法呢？

凌日法还有一种子方法——凌日周期法。比方说，有一颗行星，围绕母恒星运转，而且因为自传平面的缘故会周期性地从母恒星前面经过。如果行星只有一颗，那么凌星发生的周期就取决于行星的轨道周期。但如果除此之外还有一颗我们看不见的行星，它也会对第一颗行星产生重力影响，干扰它的运转，这样的话周期性就会被破坏。也就是说，凌星发生的时间会比预计时间出现延迟或者提前。借助这些周期波动，我们就可以做出推断，在这个星系中还有一个天体。通过天体机械学测算我们就能获知很多关于这一天体的信息，甚至包括它的运转轨道。

凌日周期的改变也有可能是由于行星与母恒星之间的潮汐作用所导致的。比如说，随着时间的推移，行星能量会有损失，加之二者之间距离较近，行星会螺旋式地慢慢靠近母恒星。由于潮汐作用，行星和母恒星会相互影响，就像月球会引发地球潮汐一样。行星与此同时会被稍微压扁一点，而且这种形变会不断地更改方向，以便看起来总会是一个侧面朝着母恒星。在这种作用之下，行星内部会出现能量损失。这就意味着，行星围绕轨道旋转的速度会不断增加。根据开普勒定律，行星距离母恒星越近，其卫星的运转速度就越快。不过，这是极其细微的变化，拿地球来说吧，每隔10年的观测期，周期变化总共才不过一两分钟。

这样的行星目前已知的有两颗——WASP-12和WASP-4。南美洲有一群天文爱好者们受我们委托正在EXPANSION项目的框架下对WASP-4星进行观测，关于这个项目我待会儿再讲。关于这颗行星的研究是与另一个国际团队同时开展的，但是，那个国际团队率先发表了研究成果，因为他们先发现凌星周期变快了。而我们相对更谨慎些，在数据解读方面发现了一些问题。

观测到的效应也有可能是系统性错误的结果，特别是受到恒星黑子的影响。如果恒星整个表面的亮度是均匀分布的，那么凌星的出现就会拥有美丽而平坦的形状，就像教材上所描述的那样。但恒星上几乎永远都有黑子，很有可能，当行星在凌星的时候恰巧经过这样的黑子上方。这时在光度学曲线上就会出现异常，从而导致结果被曲解。但后来我们还是证实了，的确发现了周期加快的现象，但是加速的幅度却仅仅是另一个国际团队所宣称的二分之一。

关于系外行星的数据天文学家们是从哪里获得的？

我的同事叶夫根尼·索科夫成立了一个天文学爱好者天文望远镜国际网络，其中也有一些专业的天文台加入。这个网络里有数十台天文望远镜，对整个天穹发生的各种系外行星凌星现象进行定期观测。目前这样的行星大约有20多个，其中也包括WASP-4。它们在很早之前就被发现了，而且也得到了较深入的研究，得益于这个项目，我们继续积累着关于它们的周期的数据。

这个项目是由捷克的Exoplanet Transit Database数据库发展而来的。这个数据库有一段时间积累的观测数据在质量上良莠不齐，其中大部分质量都不高，因为主要是业余爱好者在观测。这些数据需要仔细剔除，只筛选出那些相对清晰的天体。正是在这个数据库的基础之上，叶夫根尼创建了EXPANSION项目，将那些愿意定期对系外行星加以观测的人联合了起来。

除此之外，我们还和俄罗斯科学院的专业天文物理学天文台合作。那里最近投入使用了一台新的高精度摄谱仪，我们可以用它来进行径向速度法观测。

您认为有没有机会找到地球的孪生星球呢？

当然了，全世界的天文学家们都想找到这样的行星。这是系外行星科学领域的发展尖端，这方面的研究是最为密集的。但是，这是一个非常艰巨的任务，我们需要找到一颗无论在质量上，还是在其与母恒星的距离方面都与地球相似的行星。因为即便找到了质量与地球差不多的，但却因为与母恒星太近而被烧得太烫，完全没可能存在生命，那又有什么意义呢？

截至目前，跟地球完全相似的行星依旧没有被发现。不过在红矮星（体积较小的恒星）周围见到过相近的行星。首先，由于体积较小，这些恒星对于行星的干扰更加敏感，因此在它们周围更容易探测到小体积的系外行星。其次，红矮星系的生命宜居带更加靠近母恒星，因为红矮星的温度比太阳低。它们的系外行星与母恒星的距离可能会更近，与此同时又不会像热木星那样被烧得过烫。

生命宜居带是指恒星周围具备最有利于发展类似地球生命的条件的区域。

为了找到地球的孪生星球，需要配备非常高精度的摄谱仪，能够测量10厘米每秒的径向速度。目前世界上最好的摄谱仪只能够达到30厘米每秒。因此，寻找地球孪生星球在很大程度上是对工程师的巨大挑战。这些设备还要保证超高的稳定性，为此它们会被装在专门的保护套内，里面需要维持恒温恒压。

高精度仪器设备还不是全部。很重要的一点是要记住，在恒星的光球中存在黑子和其他的不稳定因素，比如光斑、米粒组织等等。简单地说，恒星表面是汹涌澎湃的，这会导致额外的干扰和径向速度测定的误差。作为物理天体，恒星的径向速度不会因此发生变化，但我们并不是直接对其进行观测的，而是根据多普勒效应借助摄谱仪观测的，而恒星的光谱恰恰是针对其非稳定外表层的，而且这种不稳定性接近每秒钟一米。

总而言之，为了将恒星自然存在的天文物理学干扰降到最低，需要研制专门的算法，对这种干扰进行分析，并将其过滤掉。只有这样，我们才能获得必要的精度，来发现与地球相近的行星。尽管这个任务十分艰巨，但我相信，终有一天这个目标一定会实现的。