系外行星“猎手” 是怎样炼成的

　　NASA

　　行星掩食示意图

　　6月19日，开普勒望远镜观测组公布了基于开普勒空间望远镜头四年观测数据的第八批，也是最后一批数据结果，为行星候选者又增加了219个成员。其中有10个是和地球的大小相当并处于宜居带上。迄今为止，开普勒望远镜一共发现了2335个地外行星，其中30个被认为是和地球类似的处于宜居带上的行星。

　　NASA官网的统计数据显示，目前通过各种观测方法一共确认发现了3400多个地外行星，其中开普勒望远镜的发现占了2/3。开普勒望远镜寻找地外行星的效率如此高，与它成功的项目设计分不开。

　　寻找比地球还要小的行星

　　2009年3月，美国国家航空航天局的开普勒望远镜发射升空。这台0.95米口径的施密特望远镜的核心任务是持续观测银河系内某固定天区的大量恒星，由此来广泛搜寻地外行星，从而解答这样一个问题：在我们的银河系中和地球类似的行星是否普遍存在？特别是，是否普遍存在处在宜居带上的行星？这些数据和长久以来大家热衷的是否存在地外生命的问题息息相关。

　　在数年的观测中，开普勒望远镜每30分钟记录一次，持续观测了目标天区内超过15万颗恒星。基于大视场和高测光精度的优势，开普勒望远镜可探测到极微小的恒星光变，因此可以发现比地球还要小的行星的踪迹。

　　开普勒望远镜采用了“凌星法”来搜索地外行星。“凌星法”又称“掩食法”，即利用当行星从恒星的盘面经过时，发生的掩食现象来寻找行星。

　　在地球上的我们观测到金星凌日和水星凌日时，可以看到一个行星如同一个黑点从太阳的光球面上掠过。这个过程中，行星会遮挡掉很微小一部分恒星发出的光。当观测者距离恒星很远，不能直接观测到行星的时候，也可以通过观测恒星光度周期性的微小下降和回升来间接探知行星的存在。如果一个系统发生的几次掩食具有相同的光变幅度、掩食时长以及事件周期，那就可能是一个以该周期公转的行星。而且这种方法可以通过光变的幅度得到行星和恒星的大小比值，进而得到行星的大小。

　　这种方法存在一定的虚假率，所以需要结合其他方法来进一步确定这是一颗行星。因此它们在被发现的初期，都被称为候选者。

　　这个方法并非十全十美。只有观测者的视线方向与行星的公转轨道几乎在同一平面上时，才能观察到掩食现象。因此即使是拥有行星的系统，也只有一小部分可以用这种方法观测到，其概率正比于恒星大小和行星轨道半径的比值。比如一个距离主星很近的热木星掩食的概率约为10%，而地球这样的位于太阳系宜居带上的行星，掩食的概率不到1%。尽管如此，如果能同时扫描上万个恒星组成的大样本，仍可以用这种方法找到数量可观的行星系统。

　　在太空监测星星“眨眼”的瞬间

　　想要发现地球大小的行星，对望远镜测光的精度要求很高。木星大小的行星掩食太阳可以造成1%—2%的光变，而一个地球大小的行星掩食太阳所能引起的光变只有84ppm（1ppm=百万分之一）。

　　如果从地面上进行观测，首先就要设法消除大气扰动引起的恒星光度的变化。如果一个人站在地球上用肉眼就可以察觉某恒星的光度变化，它的光变程度已经远超过一般的行星掩食所造成的光变幅度了。地面观测者们做了大量的努力来消除这个影响，目前这种扰动造成的影响可以控制到千分之一的程度。在这种精确度下可以找到木星大小的地外行星，但对于寻找地球大小的行星就无能为力了。

　　另一方面，掩食持续的时间通常只有几个小时，如果想要持续观测某恒星的光变，就必须在地球各处安放望远镜，保证任何时刻总有一台望远镜是在夜晚工作的。同时，如果想要找到类似地球—太阳的地外行星系统的多次掩食，就需要长达几年的观测时间。想要找到一个固定天区进行如此长时间的监测，对地面观测来说是极为困难的。所以必须借助空间望远镜来完成这个任务。

　　恒星本身也会有光度变化，比如我们的太阳有11年的活动周期和二十多天的自转周期，这些都会引起自身光度的变化。但是在短短几个小时的行星掩食过程中，这些机制引起的光变幅度大概只有1ppm，相比于地球掩食引起的84ppm来说还是很小的。而且这类光变大部分发生在紫外波段，并不属于开普勒望远镜的观测波段，不会造成很大的影响。

　　为了拥有更加稳定的平台，开普勒望远镜没有选择绕地球运行的轨道，而是选择尾随地球的脚步，围绕太阳为中心旋转。

　　在观测天区的选择上，由于掩星过程的持续时间通常不到一天，因此观测的采样率不得低于若干小时一次的频率。这样才能保证有足够的恒星光变数据来进行分析。这要求被观测的天区在整个观测中不被遮挡。

　　鉴于开普勒望远镜的运行轨道是以太阳为中心的。为了避免太阳系天体的掩食干扰，目标天区最好选在黄道面，即地球绕太阳公转的轨道平面以外。另一方面，需要尽可能大的恒星样本来研究这些地外行星系统在结构上的异同。这又要求该天区内有尽可能多的目标恒星，但为了避免背景干扰，最好要避开一点银道面的位置。基于以上种种条件，开普勒望远镜将镜头对准了天鹅座和天琴座区域。

　　系外行星比想象的要多

　　作为首个用于探测太阳系外类地行星的飞行器，开普勒望远镜的工作可谓出色。一方面，对大量地外行星系统的“人口普查”，可以帮助科学家更好地从宏观层面理解行星的大小和轨道的分布特性。另一方面，根据已经探测到的行星数量和掩食发生的概率，科学家可以估算出那些被漏掉的行星数量，进而推测出地外行星系统是否普遍存在。

　　在开普勒望远镜升空前，科学家们预测太阳系外类似地球的行星大概每100个恒星中才会有一个，而在今年六月的开普勒会议上，科学家们认为这个概率很可能被大大地低估了。明年即将启动的詹姆斯·韦伯空间望远镜还会为人们带来更多关于行星大气的数据。如果能够找到那些与地球大气组分类似的行星，那么找到地外生命的可能性就会进一步提高。

　　（作者系香港大学地球科学系博士后）