目前探測類地行星的方法有哪些？

在回答題中問題之前，我們先對太陽系外行星這一概念做一個簡單的介紹。

所謂的太陽系外行星（Extrasolar Planets, or Exoplanets），指的就是環繞著一顆（或多顆）不是太陽的恆星公轉的行星。

早在16世紀，信奉日心說的義大利哲學家Giordano Bruno就提出，天上那些如同太陽一樣的星星們周圍可能也像太陽一樣被行星環繞。同樣地，人類歷史上最偉大的物理學家、數學家Isaac Newton也在其巨著《自然哲學的數學原理》的附錄中提出了相似的觀點。

在19世紀，許多的偵測方法被提出來，但最終所有的天文學家得到的結果都是否定的。在1952年，也就是第一顆系外的熱氣體巨星被發現的40多年前，美籍烏克蘭裔天文學家Otto Struve寫道，沒有任何理由認為行星不能離它們的中央恆星十分地近，甚至遠遠近於太陽系中行星與太陽的距離。他還建議人們使用多普勒光譜學和凌日法來尋找近軌道上的「超級木星」（事實上，通過他所說的方法，我們確實發現了許多軌道半徑很小的氣體巨星）。

1988年，加拿大天文學家Bruce Campbell，G.A.H. Walker S. Yang通過徑向速度法（實際上就是通過測恆星光譜的多普勒頻移來測出速度）發現仙王座 γ周圍可能存在行星，可惜這一結果直到2003年才得到確認。

第一個被確認的檢測出現在1992年，天文學家發現有幾顆質量類似地球的天體環繞著脈衝星PSR B1257+12。PSR B1257+12是一顆位於室女座的脈衝星，距離地球大約980光年。它擁有三顆已經被證實存在的行星。此外，有人猜測它還擁有第四顆行星，但這個推測尚未被證實。

在主序星系統發現行星的第一個偵測結果出現在1995年，瑞士天文學家Michel G. E. Mayor和Didier Patrick Queloz通過徑向速度法在飛馬座51附近（距離太陽系約50.9光年，即15.6秒差距）發現了一顆以4天周期公轉一周的巨大行星——飛馬座51b。同年10月12日，舊金山州立大學的天文學家Geoffrey W. Marcy和加州大學伯克利分校的Paul Butler使用美國加州利克天文台的Hamilton攝譜儀確認了這項發現。

由於觀測技術的進步，自此之後偵測到的數量與效率迅速的增加。最常見的系外行星是巨行星（Giants），類似於木星或海王星，但這也反映了取樣偏差（也就是所謂的「倖存者偏差」），因為大質量、大體積行星比較容易被觀察到。一些相對比較輕的系外行星，質量只有地球的幾倍（所謂的超級地球 Superterra or Superearth），在統計上的研究表明它們的數量應該超過巨行星。

截至現在（2017年10月31日），人類已經探測到了3693顆系外行星，它們屬於2768個行星系統，其中有620個行星系統已經有多顆行星被發現。在這些系外行星中，有728個是用徑向速度法（Radial Velocity）探測到的，有2765個是用凌星法（Primary Transit）探測到的，有64個是用引力微透鏡法（Microlensing）探測到的，有88個是用直接成像法（Direct Imaging）探測到的，有28個是用脈衝星計時法（Pulsar Timing）探測到的，甚至有一個（HD 176051 b）是用天體位置測量法 （Astrometry）探測到的。

接下來，讓我們回歸正題，詳細介紹探測系外行星，特別是題主所關心的類地行星的方法。

1、徑向速度法（Radial Velocity）

徑向速度法是典型的動力學方法，其原理的簡單示意圖如下：

我們不妨考慮一個簡單的模型：一顆恆星和一顆行星分別繞著系統質心作圓周運動，那麼行星和恆星都有著恆定的速率，但是在觀察者看來，當恆星和行星的連線轉到不垂直於視線方向時，我們所探測到的（視線方向投影的）速率是在變化的，這一變化體現在恆星光譜的頻移中，就像下圖中所示的那樣

通過測量恆星光譜的頻移，我們可以發現恆星繞著系統質心非常輕微的轉動。如果我們沒有發現它有伴星，那麼我們就可以猜測它的周圍可能有系外行星存在了。

這一方法目前的探測精度大概在1m/s的量級，但是考慮到地球對太陽造成的速度大概只有0.1m/s的量級，目前用它來探測類似地球這樣在黃白主序星的宜居帶內的超級地球還是不太現實的。此外，這一方法只能給出行星的質量下限 ， 為行星公轉軌道軸線與視線方向的夾角。以及，徑向速度法要求至少測出行星的半個周期或甚至一個周期，因此對於長周期的行星，這一方法的實用性並不大。但是，不管怎麼樣，徑向速度法迄今為止還是最精確的探測系外行星的方法之一。

2、脈衝星計時法（Pulsar Timing）

其實這一方法的思想和徑向速度法是類似的，基本原理在於脈衝星會發射周期性非常好的信號，所以當脈衝星相對地球的速度略有變化時，我們就可以測出它的徑向速度。它的優點是精度極高，可以用來探測小質量的行星，但是局限性在於它只適用於脈衝星系統。脈衝星行星系統很少，因為行星難以存活於超新星爆發的威力下。此外，脈衝星的輻射強，不適合生命的存在（那裡的行星上也沒「太陽」光），所以並不是很能引起人們的興趣。（下圖來自於：A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12，感謝 @hjunyi 用校園網幫我下了文獻……）

3、天體位置測量法 （Astrometry）

這一方法其實蠻嚇人的。它的原理是這樣的。考慮我們要探測的目標星系在短期內繞銀心運動近似走的是直線，但是雙星或行星系統中恆星會有額外微小圓形或橢圓運動。通過探測這樣微小的恆星位置變化，我們嘗試著發現大軌道、大質量的行星。當然，這種方法的缺陷很明顯——一是需要極高的儀器精度，二是需要極長的觀測時間，三是對行星本身要求大質量、大軌道。目前這種方法只找到了一顆行星HD 176051 b，不過哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）幸運地拍到了Gliese 876的微小位移，以此證實了Gliese 876 d的存在。可惜的是，NASA發起的預計可以達到1μas的角解析度精度太空干涉測量任務（SIM，Space Interferometry Mission）已經於2010年取消，不知道未來我們還有沒有希望用這個方法探測到更多的系外行星。

4、凌星法（Transiting）

這個方法的原理很簡單，就是行星在路過觀察者和恆星之間時對恆星產生了擋光，恆星在觀察者看來就變暗了，這就是凌星（Transit，也叫掩食）。

這一方法的缺陷在於，行星的軌道平面和觀察者的視線方向的夾角必須足夠小，否則我們探測不到凌星，因此這一現象出現的幾率並不大，類地球-太陽系統發生掩食的概率只有約0.5%。但是優點也很多，首先我們可以比較容易地通過空間項目來進行凌星檢測（事實上，著名的Kepler望遠鏡和歐空局的CoRoT從事的就是這樣的工作）。此外，通過行星掩食對恆星光譜的影響，我們可以分析行星自身的光譜特徵，以此對行星大氣有所了解，甚至可能可以在系外行星中探測有機分子和氧氣、水蒸氣的存在。此外，掩食法可以測量行星的大小，再考慮上其質量，就可以估算行星的密度，進而研究行星的結構。

在這裡插一句，前段時間炒得火熱的KIC 8462852就是被Kepler望遠鏡觀測到了異常的光變曲線進而引發了學界的興趣，詳見 @天倉五 的回答：知乎用戶：如何看待2017年9月疑似戴森球的塔比星(KIC 8462852)出現的新變化？。

5、引力微透鏡法（Gravitational Microlensing）

1915年，Albert Einstein提出了廣義相對論。廣義相對論是現代最廣為人接受的描述引力的理論，它認為引力實際上是時空的幾何效應——引述John Wheeler的話，「物質告訴時空如何彎曲，時空告訴物質如何運動。」

根據廣義相對論，在引力場中運動的光線會被偏折，於是大質量的天體會產生可以被觀測到的引力透鏡（Gravitational Lensing）現象。天文學研究中最常見的包括星系和星系團形成的弱引力透鏡（Weak Lensing）、大質量黑洞形成的強引力透鏡（Strong Lensing）等，但是我們要討論的並不是星系或者黑洞，而是恆星所形成的微引力透鏡（Microlensing，也叫引力微透鏡，不過無所謂了，反正都是一個意思）。引力透鏡能造成很多很有趣的現象，如Einstein環或Einstein十字等，也可以增加背景天體的亮度，它在天文學研究中有很重要的地位。

那麼引力透鏡是怎麼和系外行星產生關係的呢？請看下圖。

如果沒有這顆行星，透鏡恆星對源恆星會造成亮度增大，但是行星的擾動會使得這個亮度的增量發生細微的變化，產生類似下圖的數據：

通過仔細測量背景源恆星的亮度變化，我們就可以探測到前景透鏡恆星周圍有沒有行星了。當然，這樣的事件發生的概率是非常小的，甚至比凌星的概率還小。而且，這種方法得到的結果幾乎無法重複，所以很難進行後續的觀測，我們也很難通過這種方法得到關於行星的很多信息。不過，這種方法可以很方便地、小成本地監測很多恆星，且對小質量的行星比較敏感。

6、直接成像法（Direct Imaging）

顧名思義，這種方法就是直接拍照片。這種方法的優點在於我們可以直接看出行星的大小，且可以直接研究行星的光譜，但是缺點也很明顯：恆星與行星亮度對比度大，導致較難發現行星，所以對儀器精度要求很高，而且這樣的觀測幾乎沒法在地面進行，因此這種方法對於空間觀測的依賴性較大。

直接成像法一個典型的例子就是北落師門（Fomalhaut）系統中北落師門b的發現。北落師門是南魚座的主星，距離地球約25.1光年。它在地球上的視星等為1.16，是夜空中第17亮的恆星。2008年5月，加州大學伯克利分校的天文學家Paul Kalas從哈伯太空望遠鏡在2006至2008年間拍攝的照片中成功找出行星北落師門b的位置，如下圖所示：

前蘇聯火箭之父、現代宇航學和火箭理論的奠基人Konstantin E. Tsiolkovsky曾經說過這樣一段話：

較為優質的一部分人類十有八九永遠不會滅亡，當太陽走向滅亡的時候，他們會從一個太陽系遷移到另一個太陽系。以人類的智慧和完美，生命沒有止境，它的進程永久不斷。

通過以上這些方法（和一些我沒有提到的方法），我們已經發現了幾千顆系外行星，其中有不少和地球類似的行星，有的甚至處於母星的宜居帶（Circumstellar Habitable Zone）中。

在未來，我們會用更先進的儀器和數據分析手段，找到更多系外行星和衛星。在這些星球中，我們總有一天能找尋到人類的第二個家園或者地外生命甚至地外智慧文明存在的跡象。且讓我們拭目以待吧！

參考資料：

• 維基百科相關條目
• The Extrasolar Planets Encyclopaedia
• The Habitable Exoplanets Catalog - Planetary Habitability Laboratory @ UPR Arecibo
• A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12

我不是做行星探測的。。邀請我幹啥