载2004年4月16日《科学时报》

 

寻找太阳系外行星系

陈道汉

 

    很多科学家认为,在21世纪内地球人类将可能发现太阳系外的理智生物(即常说的外星人)并与之联络。因此,21世纪自然科学最大的成就可能将莫过于此,这一发现可能对地球人类的意义将是空前的,地球人类将有希望获知比我们地球人类更加先进的科学技术文化以及社会制度。 
  而要实现这一切,首先得寻找太阳系外行星系——那些外星人赖以生存的栖息地。这一课题自从20世纪90年代以来,已取得长足的进展,迄今发现的太阳系外行星数目已超过100颗,它已经成为目前天文学研究的重大前沿课题。 


历史简述

  1963年,Van de Kamp发现巴纳德星的运动中有周期性扰动,这种扰动只能由看不 见的伴星所引起。1982年,他将这种扰动归结为巴纳德星有两颗伴行星,质量分别为0.8MJ和0.4MJMJ是木星质量。但有人认为所用的照相天体测量的结果不可靠。 
  真正的突破性进展始于20世纪90年代。1992年Wolszczan和Frail通过脉冲星PSRl257+12射电脉冲时间的变化,发现这颗脉冲星有3颗行星绕转,其质量分别为0.015ME、3.4ME和2.8ME ME为地球质量。这是人类发现的第一个太阳系外的行星系统。1995年,日内瓦天文台的Mayor和Queloz发现主序星51Peg有一个行星。该行星质量为0.47MJ、离主星0.045天文单位,公转周期为4.2293天,这是首次在主序星周围发现太阳系外行星。 
  到2003年1月,发现数目超过100。迄今为止发现的最远行星是由Harvard-Smithsonian天体物理中心于2003年用凌星观测方法发现,主星为人马座的恒星,称为OGLE—TR-56,距离达4900光年,它的伴行星离主星只有0.023天文单位,质量为0.9MJ。 


发现的方法与技术

  最明显的方法是将望远镜对准恒星而后在附近寻找行星的像。不幸的是行星总比恒星暗很多很多,而且两者间的角距离又是如此的小,因此至少十年内此法无法奏效。 
  现在,依靠的是间接法,亦即测量由于行星的存在所造成的影响而发展起来的探测技术。 
1.行星凌星观测 
  这是因为当行星从主星圆面上通过时,将引起光变曲线的陡降。 
2.观测行星的微引力透镜效应 
  爱因斯坦的相对论讨论了引力透镜的效应。当遥远的背景恒星光源与观测者之间正好有一个与两者排成一线的前景星时,背景星看起来将是两个像,这个现象称为引力透镜效应。如果背景星拥有一颗行星,则观测到的光变曲线上将出现尖峰信号。 
3.照相天体测量法 
  由于行星的存在,导致恒星位置相对于远方背景的星像作周期性摆动,但是这种摆动的角振幅实在太小,因此,使用此法至今未能发现一个太阳系外的行星。 
4.视线速度测量多普勒光谱观测 
  这一方法的原理是基于行星的存在对恒星运动的影响。当恒星拥有伴行星时,恒星将绕整个系统的质心做周期性绕转运动,测量恒星光谱谱线振动的多普勒漂移可以获知这种恒星轨道运动。 本方法效果奇佳。迄今为止,除了行星OGLE—TR—56b是由凌星观测发现以外,所有其它的太阳系外行星均由这一方法发现。 


太阳系外行星的发现 对传统的天文理论提出了挑战

  从20世纪90年代取得突破以来,发现的太阳系外行星的数目不断增加,即使将现有的初步结果进行分析,就已经对原有理论提出了挑战: 
  1脉冲星是中子星。按照现有的恒星演化理论,它是超新星爆发后的残骸。现在居然在脉冲星旁边发现了做圆轨道运动的行星,那么这些行星是怎么躲过超新星爆发这么大的劫难,或者是恒星演化理论出了差错﹖ 
 2按照传统的行星形成理论,巨大的类木行星应当存在于离主星较远的地方例如对于太阳,这个距离是4~5个天文单位;而对于较冷较暗的恒星,则约为1个天文单位。这是因为在原始的原星云盘的内区,温度高到足以蒸发像水和氨那样的化合物,而留存的可用于形成行星的固体物质又太少,所以构不成大行星。 
  可是在太阳系外发现的行星中,有的巨大的行星离主星很近,甚至近到只有水星离日距离的1/10,这就形成对现有行星形成理论的严峻挑战。半世纪前柯伊佰Kuiper提出的但已被长期遗忘的盘不稳定理论disk—instability theory重新受人重视。 


国际上的搜寻计划

  在已发现的100多颗太阳系外行星中,大约有90个行星或行星系统的主星与太阳差别不大,而所发现的行星质量大都是木星量级,连发现的最小行星亦有0.12MJ,亦即38个地球质量,它们都不是生物可以栖息的行星。 
  因此,寻找类地行星将是今后搜寻计划所特别关注的。因为只有在固体的类地行星上才有足够稳定的适宜环境衍生生命,再进而发展成技术文明。2003年12月1日,英国爱丁堡天文台的天文学家撰文宣布,在织女星旁找到了“第二地球”,是否有生命存在仍然相当可疑。 
  现在世界上最先进的望远镜都已投入了本课题观测。其中包括位于智利Cerro Paranal的甚大望远镜VLT、哈勃空间望远镜、10米的Keck I号等。甚至拟议中有建造口径达100米和50米的望远镜来从事这项探索。 
  著名的国际空间计划举例如下: 
1COROT计划。法奥合作,2004年发射,对5000颗恒星做巡天搜寻,寻找类木行星估计可找到100颗。 
2Kepler计划。美国国家航空航天局NASA的艾姆斯Ames中心提出,致力于凌星观测。这架口径1米的空间望远镜监测10万颗主序星。近日NASA决定于2007年启动该计划。 
3爱丁顿Eddington计划。系欧洲空间局ESA的计划。2007年发射1.2米广视场空间望远镜,可探测的恒星在1000秒差距以内,有希望发现几千个类木行星和几十个类地行星。 
4达尔文Darwin计划。系ESA的计划。2012年升空,由六架1.5米的望远镜组成,空间红外干涉高分辨率成像,利用消零干涉方法探测类地行星。 


(作者单位:中国科学院南京紫金山天文台;原文首发于《2004科学发展报告》)

 

 

2004年4月25日加入