什么是系外行星？

几代人以来，人类一直仰望夜空，想知道自己在宇宙中是否是孤立存在的。随着人类发现太阳系中的其他行星，探测银河系的真实范围，以及探索银河系之外的其他星系，人类提出的这个问题只会越来越深刻。

这是一颗质量约为木星10倍的系外行星WASP-18b，它距离地球约330光年，右下角是光学和x射线数据。来源:NASA/钱德拉

长期以来，天文学家和科学家一直怀疑银河系和宇宙中的其他恒星系统也有自己的行星，但直到近几十年才观察到这一猜想。随着时间的推移，探测这些“太阳系外行星”的方法逐渐得到了改进，被证实存在的行星也相应增加了(接近2000个!)

系外行星的定义：

太阳系外行星，又称系外行星，是围绕一颗恒星(即太阳系的一部分)运行的行星，而这颗恒星并不是太阳。我们的太阳系只是数十亿星系中的一个，在这些星系中，有许多很可能有自己的行星系统。早在16世纪，就有天文学家提出了太阳系外行星存在的猜想。

意大利哲学家乔达诺·布鲁诺是最早提出这一猜想的人，他是哥白尼理论的早期支持者。除了支持地球和其他行星围绕太阳运行的观点(日心说)，他还提出了恒星与太阳相似，也有行星绕其运行的观点。

到目前为止，在我们的宇宙中发现的可能适合居住的系外行星名单。来源:phl.upl.edu

在18世纪，艾萨克·牛顿在总结他的《原理》的“一般经院哲学”部分提出了类似的观点。在与太阳的行星进行比较时，他写道:“如果这些恒星像太阳一样，是行星的中心，那么这些星系将有与太阳系类似的结构——行星围绕一颗恒星运行。”

自牛顿时代以来，人们提出了各种各样的观点，但都被科学界认为是错误的。20世纪80年代，一些天文学家声称，他们在附近的恒星系统中发现了一些太阳系外的行星，但多年以后才确认它们的存在。

首次发现：

太阳系外行星如此难以探测的原因之一是，它们甚至比自己所环绕的恒星还要黯淡。此外，这些恒星发出的光会把行星“洗掉”——也就是说，使它们无法被直接观测。最终，直到1992年，天文学家亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗雷尔使用波多黎各的阿雷西博天文台，观察了几个地球质量的行星围绕着脉冲星PSR B1257+12旋转，才有了第一次发现。

直到1995年才首次证实有一颗系外行星围绕着一颗主序星运行。这颗系外行星51 Pegasi b围绕类太阳恒星51 Pegasi(距离太阳大约51光年的巨行星)运行，周期为4天。

最初，大多数探测到的行星都是与木星相似或比木星大的气态巨行星，被称为“超级木星”。这些气态巨行星的发现并不是因其比岩质行星(即类地行星)更常见，而是因为气态巨行星的体积更大，更容易被探测到。

开普勒任务:

NASA于2009年3月7日发射了开普勒太空望远镜，以文艺复兴时期的天文学家约翰内斯·开普勒的名字命名。作为NASA发现计划(Discovery Program)的一部分，开普勒的任务是调查我们银河系的一部分，以找到系外行星存在的证据，并估测银河系中有多少颗恒星拥有行星系。

根据凌日探测法(见下文)，开普勒望远镜唯一的仪器是一个光度计，它可以在固定的视场中持续监测超过145,000颗主序恒星的亮度。这些数据被传送回地球，由科学家分析，寻找由系外行星在它们的恒星前面凌日(经过)而引起的周期性变暗的任何迹象。

柱状图显示了过去约20年里每年发现的行星数量，并根据探测方法进行了细分。来源:NASA

截至2015年1月，在开普勒太空望远镜及其后续观测中，在大约440个恒星系统中发现了1013颗系外行星和3199颗未确认的系外行星。2013年11月，天文学家根据开普勒太空任务的数据称，银河系的类似太阳和红矮星的宜居带中，可能有多达400亿颗地球大小的行星运行。据估计，这些行星中有110亿颗可能围绕类太阳恒星运行。

起初，开普勒计划时间是3.5年，但由于结果远超预期，使得任务时间延长了。2012年，这项任务预计持续到2016年，但因为飞船的一个反作用轮（用来给飞船定向）发生了故障，使任务时间变化。2013年5月11日，四个反应轮中的第二个发生了故障，导致无法收集科学数据，任务也难以继续执行。

2013年8月15日，美国国家航空航天局宣布，他们已经放弃修复两个反作用轮的故障，并相应地修改了任务。NASA并没有放弃开普勒望远镜，而是提议改变其任务，利用开普勒望远镜探测更小、更暗的红矮星周围的宜居行星。该方案于2014年5月16日获得批准，被称为K2“第二次光”。

宜居行星:

系外行星的发现也激发了人们寻找外星生命的兴趣，特别是在主恒星的宜居带内运行的行星上寻找生命。宜居带也被称为“温和带”，这是太阳系中足够温暖(但又不过热)的区域，使液态水(及其中的生命)有可能存在于行星表面。

根据波尔多大学弗兰克·塞尔希思的研究，绘制了太阳系宜居带(上一行)和Gliese 581星系(下一行)的示意图。来源: 欧洲南方天文台

开普勒天文望远镜确认的第一颗处于宜居带的平均轨道距离的行星是开普勒-22b。这颗行星位于天鹅座，距离地球约600光年，于2009年5月12日首次被观测到，2011年12月5日得到确认。根据已知数据，科学家们认为开普勒-22b的半径大约是地球的2.4倍，可能被海洋覆盖，有液体层或气体层。

在开普勒天文望远镜投入使用之前，绝大多数被证实的系外行星都属于木星大小或比木星更大的一类。然而，截至2014年3月，开普勒天文望远镜已经发现了超过2900颗候选行星，其中许多都是地球大小或“超级地球”大小，许多位于主恒星的宜居带，有些甚至在类太阳恒星周围。

探测方法:

虽然有些系外行星是用望远镜直接观测到的(这一过程被称为“直接成像”)，但绝大多数系外行星是通过间接方法探测到的，如凌日法和径向速度法。

以凌日法为例，观察一颗行星在它的主恒星前面穿过(即凌日)。当这种情况发生时，观测到的恒星亮度会下降一小部分，这可以用来测量和确定行星的大小。

凌日法可以用来测量行星的半径，它的优点是有时可以通过光谱法研究行星的大气。然而，这种方法也有相当高的误报率，并且通常要求这颗行星的部分轨道与主恒星和地球的视线相交。

因此，通常需要另一种方法来确认。尽管如此，它仍然是最广泛使用的探测手段，并且是发现系外行星最多的方法。开普勒望远镜使用的就是这种方法(见上图)。

径向速度法(或多普勒方法)涉及测量恒星的径向速度，即它接近地球或远离地球的速度。这是探测行星的一种方法，因为当行星围绕一颗恒星运行时，它们之间会产生一种引力，使恒星自身绕着星系的质心在自己的小轨道上运动。

系外行星Beta Pictoris b在2009年被直接探测到。来源: 欧洲南方天文台

该方法的优点是适用于特征范围广的恒星。然而，它的缺点之一是，它不能确定一个行星的真实质量，只能设置一个较低的质量限制。但径向速度法仍然是捕捉系外行星的第二有效的方法。

在另一种形式的方法中，对一颗正在发生天食的双星进行计时，可以发现一颗围绕这两颗恒星运行的外行星。截至2013年8月，用这种方法已经发现了一些行星，更多的行星得到了确认。

截至2014年9月，每年发现的太阳系外行星的数量，用颜色表示探测方法——径向速度(蓝色)、凌日(绿色)、定时(黄色)、直接成像(红色)、微透镜(橙色)。图片来源: 公共领域

引力微透镜方法指的是观测恒星的引力场产生的效果，就像一个透镜放大远处恒星的光。随着时间的推移，围绕这颗恒星运行的行星会在放大时引起可检测到的异常，从而探测到它们的存在。这种技术在探测类日恒星中轨道较宽(1到10个天文单位)的恒星时是有效的。

也有其他方法，用一种或结合多种方法，已经探测和确认了成千上万的行星。截至2015年5月，1214个行星系统中的1921颗行星已被确认，482个多行星系统也已确认。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Matt Williams - Universe Today- Phy-ray

如有相关内容侵权，请于三十日以内联系作者删除

转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处