科學家回信|平勁松:天文學家有7種方法“看見”系外行星

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編者按：2023年5月起，“學習強國”學習平臺與中國科學報社聯合發起“科學家回信”活動，邀請廣大讀者向自己心中向往尊敬的科學家、科技工作者提問、留言。活動啟動后，“學習強國”“科學網App”收到了讀者的踴躍留言。我們精選了讀者盧俊宇的提問，請中國科學院國家天文臺研究員、中國科學院大學空天學院博士生導師平勁松發出第三十九期回信

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讀者盧俊宇：既然宇宙中的天體距離這么遠，地球上的天文臺拍攝的精度也有限，我們是如何判斷地外行星的呢？

平勁松：行星與恒星相伴而生，一般認為，行星是恒星系統誕生初期，由系統外圍的塵埃和分子云物質通過引力生成的。引力作用下收縮的星云成為一個原始的行星盤。星盤中心部分的物質形成了高溫、高密度的恒星。行星盤物質在塵埃和氣體的引力相互吸引下，逐漸凝聚形成星子或行星。普遍存在的恒星-行星系統中，恒星燃燒自身發光，繞轉的行星通常主要反射來自中心恒星的光。

太陽系里面的行星圍繞太陽運行的，且通常是嚴格遵從牛頓定律和開普勒定律的。如果看見某個行星類型的天體運動特征不符合太陽系內牛頓定律和開普勒定律，就可以判斷其來自太陽系外。

天文學家已經觀測到近萬顆太陽系外行星或系外行星。這些系行星大多是類木星行星或巨行星，它們大多圍繞特定的恒星公轉，很多超過木星質量。另外，還零星地有一些行星并沒有圍繞一個恒星公轉，而是在宇宙中流浪，成為星際行星。

因為距離太遠、本身主要反射來自中心恒星發出來的光導致系外行星的亮度不能或難以被地面或天上的望遠鏡感知到，即“看不見”。目前能找到的系外行星，基于以上行星形成的通常假設：恒星形成同時附帶有行星形成。這樣在觀測恒星時，就會受到其周圍行星的干擾，包括行星質量太大導致恒星位置的空間晃動、行星恰好位于恒星和地球之間導致恒星亮度被抑制、恒星發出的光譜出現了與行星牛頓運動一致的吸收光譜和多普勒頻偏等，有許多種方法可以用來“看見”系外行星。

1.天體測量法：通過精確測量恒星的運動軌跡來確定受其引力拖曳的行星所在，能夠較為準確地計算出行星質量，對大軌道的行星尤為敏感。新的天體測量學有望幫助他們找到數萬顆新的系外行星。

2.直接成像法：類似對矮星的觀測，給超大系外行星拍照，以獲得其光度、溫度、大氣、軌道等信息。要求其不被母恒星的光芒所掩蓋。望遠鏡通常配備有功能強大的星冕儀，能在觀測中有效屏蔽掉母恒星的耀眼光芒，從而獲得系外行星的清晰“形象”。

3.徑向速度法：大部分系外行星都是通過間接方法被發現的。徑向速度法依據運動-頻率的多普勒效應，判斷運動物體與恒星光譜偏離大小，即速度大小。現代的光譜儀器已經可以檢測出低至1米/秒的速度變化，從而推測出系外行星的質量、周期等信息。

4.凌星法：指當系外行星從母恒星與地球之間經過時，行星會遮擋住部分恒星發出的光線，造成我們觀察到的恒星亮度發生輕微減弱。從而獲知系外行星的存在。

5.引力微透鏡法：微引力透鏡是天文學中的一個視覺現象和有力的探索工具。恒星-行星-地球在光線傳輸過程中存在遮擋關系時，恒星觀測效應產生一個光變曲線，其擁有行星時就會產生二級光變曲線。恒星二級光變曲線證明系外行星的存在，是尋找流浪行星的有效方法。

6.脈沖星計時法：圍繞脈沖星運動的行星會影響脈沖星自轉穩定特性，對脈沖星的計時觀測中通過時間測量的異常來發現系外行星的蹤跡。