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系外行星是如何发现的?

更新时间:2020-01-14 17:52点击:

  2019 年,诺贝尔物理学奖被授予加拿大裔美国宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士天体物理学家米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和瑞士天文学家迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),以表彰他们在宇宙学和系外行星相关领域的研究贡献。

  五年里,诺贝尔物理学奖三次都颁给了天体物理学方面的,这对于曾经为研究宇宙的一大批科学家无疑是一种认可和尊重,同时也鼓励着新一代的人们积极为星辰大海的梦想而努力。

  我们今天就聊聊和这次诺贝尔物理学奖里相关的研究——关于系外行星的那些事,以及认识光年之外的它们是如何被我们人类发现的。

  系外行星,顾名思义,就是指在太阳系以外的行星。这些行星通常指的是那些环绕太阳系外的恒星公转的行星,当然,“无父无母”的流浪行星也是系外行星的一种,我们今天的主角是环绕恒星的系外行星。

  截至今天,人类通过以望远镜为主的,结合其他观测手段发现并已经确认的系外行星,总共有4126颗,但仍有发现的超过2800颗尚待确认。

  这个数据其实是一个很小的数据,据估计,银河系存在1000亿-4000亿颗恒星,假如每一颗恒星都至少有一颗行星,那仅银河系至少也存在1000亿颗行星。这是一个很保守的估计了,我们一颗普通的太阳已知的都有8颗,如果算上流浪的行星,银河系行星的数量远比恒星的数量多得多,这意味着我们还有很大的探索空间。

  对于太阳系的行星,我们很早就已经认识到了包括水星、金星、地球、火星、木星和土星在内的6颗,因为这几颗行星都是可以在适当的季节和时辰用肉眼就可以看见的。但对于不可见的海王星和天王星,在没有望远镜的时代,肉眼是不可见的。

  那么,仅太阳系的行星被我们发现就经历了很长一段时间,我们的科学家又是如何用二十多年的时间就发现并确认远在数光年甚至数百光年的4000千多颗,被母星的光芒掩盖的行星呢?

  我相信,这肯定离不开科学家不厌其烦日复一日地观测和在海量的图像中识别的努力,但好的方法和观测手段同样很重要,下面我们就捋一捋都有哪些让我们更容易发现系外行星的观测手段和方法:

  这种方法简单粗暴,但要求(红外)望远镜精度很高,同时遥远的行星非常巨大,通常比木星还要大,并且和自己的母星保持较远的距离,同时自己有一定的热辐射,不至于淹没在自己母星的光芒中。

  所谓的凌日法,指的就是一颗行星从母星的盘面掠过时,由于遮挡的原因,母星的光度和亮度都会周期性地降低一小点。

  科学家正是通过这微小的周期性变化,来判断行星的存在,这是非常容易理解而又奏效的一种方法,已经发现并确认的系外行星,有七成多来自凌日法的运用。但凌日法有个很明显的缺点——只能观测在我们望远镜视角平面的行星。

  天体测量的基本原理是恒星和行星在独立自转的同时,还共同绕着它们的质量质心公转,但由于恒星质量巨大,这个质心通常会在恒星里面。尽管如此,恒星也会表现出周期性的摇摆,这个小小的摇摆幅度正是科学家判断它的周围有无行星的间接证据。

  径向速度的基本原理和天体测量的很类似,只不过这个要求恒星的盘面平行于我们的观测视角,而天体测量要求恒星盘面垂直我们的视角。恒星的周期性摇摆,相对地球的观测者而言,就是靠近远离地球的径向速度,这种速度会造成恒星轻微的红移或蓝移,也就是可以通过多普勒效应来探测行星。

  微引力透镜,这通常要求被观测行星的母星后面有一颗背景恒星,也就是三点一线。当背景恒星的光线通过有行星存在的母星时,母星产生引力透镜的同时,行星也会有,天文学家通常正是利用行星相对于母星较小的引力产生的微透镜来判断行星的存在,这种方法的缺点就是三点一线的持续时间很短,并且是不具有周期性。

  总之,探测系外行星的方法有很多种,上面介绍的只是实际中用的比较多的,它们每一种方法都有自己的优缺点,但同时也是互补的,一颗系外行星的发现并确认,通常需要多种方法的相互验证。

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