系外行星探測的前世今生：搜尋「另一個地球」|開普勒|系外行星

　　歷年來全球發現系外行星的數量，可以看到，隨著開普勒空間望遠鏡的發射和數據的分析工作加緊開展，系外行星的發現數量出現了井噴式增長

　　部分公轉軌道位於宜居帶，且質量與地球較為接近的系外行星參數表。所謂宜居帶是指圍繞一顆恆星周圍距離適中的區域，在這一區域內溫度範圍適宜，因此液態水可以存在於行星表明，從而有可能允許生命的生存

藝術示意圖：正在空間運行的開普勒望遠鏡

Kepler-47行星系統與太陽系大小的對比，其中還標出了兩個行星系統中各自宜居帶的大小範圍

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　　新浪科技訊 北京時間7月23日晚間消息，美國宇航局發布消息稱，將在北京時間今天晚上24:00對外發布與系外行星有關的新進展。

　　在美國宇航局官方網站上發布的新聞通告中寫道：「系外行星，尤其是大小與地球接近的小型系外行星，僅僅在21年前還仍然屬於科幻的範疇。但在今天，我們已經發現了數以千計的系外行星，天文學家們已經接近幾千年來我們所夢想的目標：發現另外一個地球。」這樣的模糊措辭為外界的聯想留下了諸多空間，但具體的消息還得等到發布會召開之後才能確切知曉。

　　數千年來，人們一直想知道一個問題的答案：在宇宙中，我們是否是孤獨的？而現在，由於以開普勒望遠鏡為代表的系外行星搜尋計劃的開展，我們已經接近可以回答以上的這個問題。我們現在已經確認，除了太陽系內的8大行星，在太陽系之外，圍繞其他恆星同樣存在大量的行星。它們也就是我們上文中所稱的「系外行星」。截止2015年7月21日，全世界已經得到確認的系外行星共有1934顆，其中有超過1000顆是由開普勒項目所發現的。

　　開普勒空間望遠鏡項目

　　「開普勒」是美國宇航局在2009年3月7日發射升空的空間天文台，其設計目標是尋找圍繞其他恆星運行的類地行星。這台空間望遠鏡以歐洲文藝復興時期的天文學家和數學家約翰尼斯·開普勒(Johannes Kepler，1571~1630)的名字命名，他最為人所知的貢獻便是發現了太陽系行星運動的三大定律。

　　開普勒空間望遠鏡的探測任務包括：對銀河系的一小塊固定天區進行巡天觀測，搜尋可能存在於其他恆星周圍宜居帶範圍內，且地球大小的系外行星目標，並根據觀測結果估算銀河系中可能存在的類似系外行星的數量。其攜帶的唯一一件科學載荷便是一台高精度的光度計，它將在固定的天區內對超過14.5萬顆主序恆星進行連續的精密測光觀測，並藉助「凌星法」(Transit)搜尋地外行星。

　　所謂凌星法，是指當系外行星從我們觀察恆星的視線前方經過時，由於行星體會遮擋住部分恆星發出的光線，這將造成恆星的亮度發生輕微減弱，於是通過對這種輕微光變的探測，我們便可以推知系外行星的存在。

　　由此可見，如果要使用凌星法搜尋系外行星，那麼這顆系外行星必須從我們的觀察視野前方經過並遮擋住恆星的光線，因此這裡就存在一個角度的問題。如果系外行星運行的軌道平面與我們的觀測視角不在同一直線上，凌星法就無法發揮作用。符合這種條件的發生概率大約等於恆星的直徑除以這顆系外行星的軌道直徑。對於一顆類似地球的系外行星，並且圍繞一顆類似太陽的恆星運行，那麼這一概率值約為0.5%，而對於那些軌道周期只有4天的系外行星，這樣的幾率則大約是10%左右。因此，採用凌星法搜尋系外行星的幾率其實是很低的。那麼為了儘可能多的發現系外行星，就必須對儘可能多的恆星進行監測。而由於系外行星越小，其遮擋的恆星面積也越小，那麼恆星由於受到系外行星遮擋而發生的亮度減弱程度也就越輕微。這就讓搜尋與地球大小相似的小型系外行星更加困難重重。

　　因此，即便地球大小的系外行星是普遍存在的，我們也必須對成千上萬顆恆星進行監測才有可能獲得少數發現。開普勒空間望遠鏡對超過10萬顆恆星進行連續的精密監測，如果在這樣的數量級下，對地球大小系外行星的探測仍然得到零結果，那就將非常說明問題。而如果地球大小的系外行星是普遍存在的，那麼開普勒空間望遠鏡應該就可以探測到其中的一部分。

　　而考慮到最理想的情況是找到一顆大小與地球接近的系外行星，並且其圍繞運行的也是一顆與太陽相類似的恆星，那麼在這樣的情況下，我們最想尋找到的系外行星的公轉周期就應該是一年左右。因為這表明其與恆星之間的距離適中，因而處於「宜居帶」(Habitable Zone)。所謂宜居帶，是指圍繞一顆恆星周圍距離適中的區域，在這一區域內溫度範圍適宜，因此液態水可以存在於行星表明，從而有可能允許生命的生存。

　　而為了可靠地確認一顆系外行星，我們需要連續觀察到4次凌星過程才能確認觀測結果。這樣一來，要想找到「另一個地球」，我們最少將需要3年半左右的觀測時間。而如果開普勒望遠鏡項目能夠持續觀測更長的時間，我們就將有可能找到更小，距離恆星也更加遙遠的系外行星目標。

　　開普勒空間望遠鏡的主體是一台專門設計的口徑0.95米的望遠鏡，這是一台「光度計」，它擁有非常大的觀測視場(105平方度)，大約相當於伸直手臂之後你的手掌擋住的夜空面積大小，而大部分望遠鏡的視場一般都不超過1平方度。開普勒望遠鏡需要這樣的大視場，這樣才能觀測儘可能多的恆星。

　　系外行星發現史

　　幾個世紀以來，很多科學家和哲學家都曾經想像著系外行星的存在，但在當時沒有任何手段可以去證實他們的想法。在19世紀曾經有幾次，有人宣稱發現了系外行星，但到最後都一一被天文學家們否定了。

　　最早得到學界確認的發現出現在1992年，當時科學家們在一顆脈衝星PSR B1257+12的周圍發現了系外行星。而人們首次在主序恆星周圍發現系外行星則是在1995年，當時一組瑞士天文學家在飛馬座-51星周圍找到一顆氣態巨行星。時至今日，有少數一些系外行星已經被直接成像拍攝到，但絕大部分系外行星的發現都是經由間接的手法，如凌星法以及徑向速度法等手段發現的。

　　最先被發現的系外行星大部分都是距離恆星很近，且體型巨大的氣態巨行星。天文學家們對於這些被稱作「熱木星」(hot Jupiters)的系外行星感到非常驚奇，因為根據行星形成理論，氣態巨行星(如太陽系中的木星)應當是形成於距離太陽較遠的位置上的。但逐漸地科學家們也開始發現一些其他類型的系外行星，到現在已經相當清楚，熱木星之所以一開始被發現比較多，是因為它們比較容易被發現，而實際上這類系外行星的數量是比較少的。

　　在1999年，仙女座υ星成為首顆被發現周圍存在多顆行星，因而構成一個「多行星系統」的主序恆星。截止本月21日，科學家們已經找到了1934顆系外行星，分別屬於1224個行星系統，其中有484個行星系統中擁有超過一顆行星，因而屬於「多行星系統」。

　　Kepler-16是首顆被發現圍繞一個雙主序星系統運行的系外行星。2014年2月26日，美國宇航局宣布開普勒望遠鏡新發現圍繞305顆恆星運行的715顆系外行星。在開普勒項目之前，科學家們發現的系外行星大部分都是體型較為龐大的，與木星類似的氣態巨行星，但開普勒項目中所發現的系外行星體型則大多介於地球與海王星之間。

　　2015年1月6日，美國宇航局宣布了由開普勒項目所發現的第1000顆系外行星，其中有三顆的運行軌道位於宜居帶內，它們分別是：Kepler-438b和Kepler-442b，這兩顆系外行星的大小與地球接近(直徑分別為地球直徑的1.12倍和1.34倍)，並且很有可能是岩石行星；另外一顆Kepler-440b則屬於「超級地球」，其直徑大約是地球的1.86倍。到目前為止，其餘已經發現運行於宜居帶範圍內，且大小與地球比較接近的系外行星還有：Kepler-62e；Kepler-62f；Kepler-186f；Kepler296e以及Kepler-296f等等。(晨風)