系外行星的真相

发现的涓涓细流已汇成洪流。

自从在其他恒星周围首次发现行星以来，仅仅二十多年后，地面和太空望远镜上改进的仪器就使计数激增：现在已经超过 2,000 颗。这些发现包括“热木星”、“超级地球”以及太阳系中没有对应物的其他天体，并迫使天文学家彻底反思他们关于行星系统如何形成和演化的理论。

然而，发现仅仅是开始。天文学家正积极进入系外行星研究的关键阶段：弄清楚这些世界是什么样的。大多数系外行星探测技术除了行星的质量、大小和轨道外，几乎没有透露其他信息。但它是像地球一样是岩石行星，还是像木星一样的气体巨星？它是酷热难耐还是冰冷刺骨？它的大气层是由什么构成的？而且，这个大气层是否含有诸如水、甲烷和氧气等奇特的、不稳定的比例的分子，这些分子可能是生命特征的信号？

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天文学家可以用来解决这些问题的唯一可靠工具是光谱学：一种分析直接来自行星表面或穿过其大气层的光波长的技术。每种元素或分子都会产生特征性的“谱线”模式——已知波长处的光发射峰值或吸收谷值——因此观测者可以查看遥远物体的光谱，从而读出存在哪些物质。“如果没有光谱学，你在某种程度上是在猜测你所看到的东西，”图森市亚利桑那大学的天文学家伊恩·克罗斯菲尔德说。

但光谱学传统上需要清晰地观察物体，这对于系外行星来说通常是不可用的。大多数新世界仅仅表现为恒星的无限小的变暗，因为原本不可见的行星在其表面穿过；其他世界仅从恒星的轻微摆动中得知，这种摆动是由一颗看不见的伴星的引力来回拉扯引起的。天文学家经常说，试图研究这样一个物体就像盯着远处探照灯（恒星）并试图看到萤火虫（行星）在附近盘旋。

然而，近年来，观测者已经开始取得进展。有些人已经提取了穿过系外行星大气层时穿过其母恒星表面的光的光谱——相当于测量萤火虫翅膀的颜色，当它掠过探照灯光束时。其他人已经阻挡了母恒星的光线，以便他们可以看到遥远轨道上的系外行星并直接记录它们的光谱。

在过去的两年里，天文学家已经开始记录来自新一代定制仪器的光谱，例如位于智利塞罗帕琼山顶的 8.1 米双子座南望远镜上的双子座行星成像仪。系外行星光谱学将成为目前正在开发中的几艘航天器和地面望远镜的优先事项。天文学家正热切等待美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），它将在 2018 年发射时为这项任务带来前所未有的集光能力和灵敏度。

对于那些希望深入了解新发现世界的人来说，这是一个令人兴奋的时代，日本昴星团望远镜位于夏威夷莫纳克亚山的天文学家塔恩·柯里说。“我们正处于一场革命的风口浪尖。”

凌星光谱学

第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星是在 1995 年发现的，当时日内瓦天文台的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹天文学家探测到恒星 51 飞马座的运动有规律的来回摆动。他们得出的结论是，这是由一颗质量至少是地球 150 倍的行星的引力引起的——大约是木星质量的一半——每 4 天左右绕恒星运行一次。随着系外行星热潮兴起，其他发现也随之而来，并导致望远镜管理者为行星搜寻提供更多观测时间。

这一系列的发现很快激发了马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理学中心的戴维·查博诺天文学家的一个想法。他推断，当一颗行星“凌星”或从恒星前方经过时，其大气层中的分子会吸收一些星光，并在其中留下光谱指纹。是否有可能检测到这些指纹？

为了弄清楚，查博诺决定寻找钠。“它并不特别丰富，”他说，“但钠具有非常清晰的光谱特征”——它的激发分子发射两条非常强的光线，这使得钠路灯呈现出熟悉的黄橙色。当钠被背光照射时，穿过它的光线在光谱的相同点处具有暗带，查博诺希望这些暗带相对容易被发现。

确实如此：2002 年，查博诺和他的同事宣布，他们已经使用哈勃太空望远镜探测到来自一颗木星大小的系外行星 HD 209458 的钠信号，该行星凌星了距离地球约 47 秒差距（150 光年）的一颗恒星。这既是首次探测，也是首次对系外行星大气层进行光谱测量。在短短几年内，基于太空的凌星观测记录了更完整的光谱，并探测到了一氧化碳和水蒸气等气体。

查博诺说，使用这项技术意味着寻找恒星光谱中非常微小的变化——可能只有万分之一。哈勃望远镜过去是，现在仍然是观测者的首选仪器：它不必应对地球大气层中气体的光吸收，因此其光谱非常干净且易于解释。但是对观测时间的竞争非常激烈，因此天文学家也使用地面望远镜。

这些望远镜确实必须处理大气干扰，但可以通过收集比哈勃望远镜更多的光来克服它。这使它们能够探测到更微弱的物体，并更清晰地分离出各个光谱特征。这样做是有回报的，因为大多数系外行星都位于相对于地球移动的恒星系统中。“因此，它们的波长发生了多普勒频移，”查博诺说，这意味着来自它们的辐射因其运动而被拉伸或压缩，从而使光谱线略微偏离地球大气层中相应的谱线。由于这两组光谱线不再重叠，观测者可以肯定地知道有多少信号来自系外行星。使用这种方法，天文学家已经能够探测到占行星大气层十分之一甚至更少的气体。

凌星光谱技术的一个扩展应用使天文学家能够测量从行星表面反射的光。他们这样做是在行星穿过其恒星表面之后，当行星位于其轨道远侧时，其日光面朝向地球（参见“星影”）。观测者将无法将其视为一个单独的物体——但他们会知道其光谱与恒星的光谱结合在一起，加拿大蒙特利尔麦吉尔太空研究所的天文学家尼古拉斯·考恩说。然而，不久之后，行星将从恒星后面经过并被掩食——考恩说，在这一点上，“你将从行星和恒星变成只有恒星。如果你测量通量的差异，你就可以知道有多少光来自行星。”他说，这个过程要求很高，但即使木星大小的行星亮度不到恒星的 0.1%，它也可以测量近距离轨道上木星大小的行星的红外光谱。

这项技术的一个更雄心勃勃的应用是跟踪系外行星的完整轨道。通过减去行星掩食期间获得的仅恒星光谱，观测者可以获得行星大气层的光谱，因为其轮廓从刚刚凌星后的细弯月形变为摆动到侧面的半月形，然后在远侧变为满月形。这使他们能够生成相对精细的大气层地图，以及大气层随时间的变化情况。考恩和他的同事首次报道了在 2012 年使用这项技术，使用了来自美国宇航局斯皮策太空望远镜的红外数据。他们表明，系外行星 HD 189733b 最热的地方在其赤道 10 度范围内，正如预测的那样。从那时起，其他研究人员已经使用哈勃望远镜和斯皮策望远镜更详细地绘制了系外行星大气层的地图。考恩说，借助 JWST，“制作一颗热木星大气层的 3D 地图将很容易。”

凌星光谱学确实有其局限性。一些系外行星的光谱几乎没有特征，这是云层的特征，云层由液滴或细小的尘埃颗粒组成，这些颗粒不会像孤立的分子那样在光谱上留下印记。查博诺说，云层是一个大难题。“我们没有直接测量云层是由什么构成的。我们只知道它们阻挡了光线。”它们不一定是由水蒸气构成的。查博诺指出，笼罩在云层中的超级地球 GJ 1214b 距离地球 12 秒差距，它非常热，以至于其云层可能由硫化锌和氯化钾构成。在更热的世界中，云层可能包含铁或岩石液滴。

纽约州伊萨卡市康奈尔大学卡尔·萨根研究所所长丽莎·卡尔特内格指出，凌星方法的另一个局限性。“当光线照射到凌星行星时，它不仅仅被吸收，”她说。“它也会在大气层中弯曲”，使得地球上的观测者无法看到。这种弯曲，被称为折射，随着大气层变得更厚而增加。她说，如果外星天文学家试图获得地球的光谱读数，折射会阻止他们探测到距地表 10 公里以上的任何地方。但地球上大部分水都在其大气层最低的 10 公里处，她说——因此类比，“水将是在类地系外行星中最难找到的东西之一”。

直接成像

寻找和研究系外行星的另一种方法是尝试阻挡星光并直接成像它们，这相当于通过在探照灯前举起手来寻找萤火虫。早期尝试这样做是徒劳的：即使是最暗淡的母恒星也比系外行星亮得多。成功的秘诀是寻找更亮的萤火虫，它们远离探照灯游荡——也就是说，年轻的行星仍然因形成的热量而发光，并且轨道远离它们的恒星。第一批直接成像的系外行星是由两个小组于 2008 年同时宣布的。这些天体包括 3 颗大约 6000 万年前围绕恒星 HR 8799 运行的行星，以及一颗超过 1 亿年前围绕北落师门（一颗距离地球约 8 秒差距的明亮恒星）运行的单颗行星。

为了获得这些物体的光谱，天文学家转向了自适应光学，这项技术可以校正地球大气层湍流引起的恒星闪烁，并使在恒星附近更容易发现任何系外行星。同样必不可少的是插入望远镜光路以阻挡来自恒星的光线的圆盘，以及用于数字锐化图像的复杂信号处理器。

“直接成像光谱非常漂亮，可以告诉你很多关于行星及其如何形成的信息，”加利福尼亚州斯坦福大学的天文学家、HR 8799 行星的共同发现者布鲁斯·麦金托什说。2011 年，他和他的同事报告了首次使用第一代直接成像仪器在一颗行星上探测到水蒸气，该仪器只能观测到温度高于 1,000 开尔文的系外行星。现在，麦金托什是双子座行星成像仪的首席研究员，该成像仪与欧洲南方天文台位于智利的甚大望远镜上的类似光谱偏振高对比度系外行星研究（SPHERE）成像仪一起，是第二代仪器，旨在直接成像并获取温度低至约 600 开尔文的系外行星的光谱。

双子座仪器于 2014 年 11 月启动了一项为期多年的搜索，寻找围绕炎热年轻恒星运行的类木星行星。对 51 颗波江座星的早期观测，这是一颗距离地球约 30 秒差距的 2000 万年前的恒星，发现了一个类木星世界，它距离恒星的距离是木星与太阳距离的 2.5 倍。光谱显示，这颗名为 51 Eri b 的系外行星的大气层比任何其他系外行星都含有更多的甲烷——木星大气层的一种已知成分。“51 Eri b 和其他新系外行星真正令人兴奋的地方，”柯里说，“是我们看到它们时，它们的光谱看起来比那些更年轻、更热的行星“更正常”和更像木星，在那些行星中，甲烷奇怪地消失了。这可能为行星形成提供关键的见解，目前的行星形成理论主要基于来自太阳系的数据。

SPHERE 也开始了类似的调查，但开始较晚，在 2015 年 2 月，并且报告较少。到目前为止，巴黎天文台的天文学家、团队成员安东尼·博卡莱蒂说，最有趣的发现是一组五个气体团块，它们以高速远离年轻恒星 AU Microscopii 移动，已知该恒星异常容易发生耀斑和其他活动。“我们真的不知道它们是什么，”他说。

恒星调查

系外行星光谱学从早期从业者努力从嘈杂环境中提取极其微弱的信号开始，已经走了很长一段路。最初的结果通常存在问题。现在，克罗斯菲尔德说，“在大多数情况下，我们发现的东西都站得住脚并且是可重复的”。

新一代仪器有望揭示更多信息。美国宇航局的凌星系外行星巡天卫星（TESS）计划于明年 8 月发射，它将花费两年时间搜索凌星太阳附近 200,000 多颗最亮恒星的系外行星。系外行星也将成为 JWST 的目标。凭借其 6.5 米望远镜和先进的仪器，韦伯应该比 2.4 米的哈勃望远镜看到更多。“TESS 和韦伯将在五年内占据这个空间，”麦金托什预测。

另外两个计划中但尚未获得批准的太空任务将使用系外行星光谱学。美国宇航局的 2.4 米宽视场红外巡天望远镜预计将于 2020 年代中期发射，它将大部分时间用于宇宙学问题，但预计将发现和研究约 2,600 颗系外行星。柯里说，它应该能够对附近恒星运行的类木星行星进行成像，尽管像冥王星或假想的“X 行星”（据推测存在于太阳系边缘）或地球这样的小而冷的天体仍然遥不可及。“我们需要一个 10 米级的太空望远镜才能观测到其他地球，”麦金托什说。

第二个任务是 ARIEL，即大气遥感红外系外行星大型巡天，这是欧洲航天局将于 2026 年发射的中型任务的三个候选者之一。这台 1 米望远镜将专门用于凌星光谱学和温度高于 500 开尔文的系外行星的巡天。

大约十年后，天文学家希望看到三台超大型望远镜的建成：位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的 24.5 米巨型麦哲伦望远镜、计划在莫纳克亚山建造的三十米望远镜，以及位于智利塞罗阿马佐内斯的欧洲极大望远镜。所有三者都将配备自适应光学系统，并且可以肯定的是，它们将进行系外行星光谱学，以测试基于迄今为止收集的数据的模型。

查博诺说，这些测量可能是天文学家首次真正有机会在更广阔的宇宙中找到生命。“我太激动了。”

本文经许可转载，并于 2016 年 2 月 17 日首次发表。