編譯 劉聲遠(yuǎn)
太陽系外的行星是什么模樣？科學(xué)家才剛開始有所知道
科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的系外行星（太陽系以外的行星）數(shù)量，就像涓涓細(xì)流已變成滾滾洪流。從發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星以來才不過20幾年，地面和空間觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步就讓已發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量飆升至2000顆以上。這些系外行星中包括“熱木星”“超級(jí)地球”及其他奇異類型的行星。這些在太陽系中沒有的行星類型，逼迫科學(xué)家把他們有關(guān)行星系統(tǒng)形成和演化的理論推倒重來。
然而，對(duì)系外行星的發(fā)現(xiàn)又可以說是剛剛才開始。在系外行星的搜尋方面，科學(xué)家正強(qiáng)力推進(jìn)又一個(gè)重要階段：查明這些世界長(zhǎng)得什么模樣。大多數(shù)搜尋系外行星的技術(shù)，除了能告訴我們行星質(zhì)量、大小和軌道參數(shù)外，能揭示的其他信息少之又少。系外行星究竟是像地球這樣的巖石行星，還是像木星那樣的氣態(tài)巨行星？系外行星的溫度很高還是很低？系外行星的大氣層由什么組成？它們的大氣成分中，像水、甲烷和氧這樣的分子的比例是否獨(dú)特而又不穩(wěn)定，因而可能是生命活動(dòng)的跡象？
要想探尋諸如此類問題的答案，科學(xué)家能夠使用的唯一可靠工具就是光譜學(xué)：運(yùn)用光譜學(xué)，科學(xué)家能分析直接來自行星表面的光線的波長(zhǎng)，或者穿過行星大氣層的光線的波長(zhǎng)。每種元素或分子通過光譜攝像儀都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特殊的“線條”模式——光發(fā)射造成的尖峰，或在已知波長(zhǎng)的光吸收造成的驟降。這樣一來，通過觀察一個(gè)遙遠(yuǎn)天體的光譜線，科學(xué)家就能解讀這個(gè)天體上有什么物質(zhì)。
但光譜學(xué)通常要求能清楚看見物體，這對(duì)系外行星來說幾乎不可能。通常，我們是看不見系外行星的。不過，當(dāng)一顆系外行星正面經(jīng)過其所環(huán)繞的母恒星（太陽就是地球的母恒星）時(shí)，母恒星亮度會(huì)極小程度地降低，這就暗示了系外行星的存在。另外，雖然系外行星不可見，但其引力會(huì)造成其母恒星很輕微地前后搖晃，而這種搖晃也揭示了系外行星的存在。科學(xué)家經(jīng)常說，要想探索系外行星，就好比是凝視一盞探照燈（恒星），并且試圖發(fā)現(xiàn)一只在探照燈附近飛的螢火蟲。
然而，在觀測(cè)系外行星方面，科學(xué)家近年來已有一些進(jìn)展。當(dāng)系外行星正面經(jīng)過其母恒星時(shí)，一些科學(xué)家提取了穿透系外行星大氣層的光線的光譜。這相當(dāng)于當(dāng)一只螢火蟲掠過探照燈的光柱時(shí)，測(cè)量螢火蟲的翅膀顏色。另一些科學(xué)家則想法阻擋母恒星的光線，從而得以看見位于遙遠(yuǎn)軌道中的系外行星，直接記錄它們的光譜。
過去3年中，科學(xué)家開始記錄來自新一代定制天文觀測(cè)儀的光譜。位于智利帕切翁山頂峰的南雙子座望遠(yuǎn)鏡（直徑8.1米）的“雙子座行星成像儀”，就是一臺(tái)新一代定制天文觀測(cè)儀。正在研發(fā)的多部太空望遠(yuǎn)鏡和地面望遠(yuǎn)鏡，都把系外行星光譜作為首選探測(cè)目標(biāo)。而科學(xué)家更渴望的是美國宇航局的“詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡”（簡(jiǎn)稱JWST），它將于2018年發(fā)射，屆時(shí)它將以前所未有的光采集能力和靈敏度實(shí)施探測(cè)。
對(duì)于那些希望深入了解系外行星的科學(xué)家來說，目前正是時(shí)候。美國斯巴魯望遠(yuǎn)鏡（位于美國夏威夷島死火山莫納克亞山上）項(xiàng)目科學(xué)家?guī)炖镎f：“我們正處在一個(gè)時(shí)代的開端，那就是深入探索太陽系以外的行星世界。這是天文學(xué)的又一場(chǎng)新革命?！?/p>
1995年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞一顆類太陽恒星（與太陽相似的恒星）運(yùn)行的第一顆系外行星。當(dāng)時(shí)，瑞士日內(nèi)瓦天文臺(tái)的科學(xué)家梅耶和奎羅茲發(fā)現(xiàn)，飛馬座51號(hào)星有一種規(guī)則的前后晃動(dòng)。他們下結(jié)論說，這種晃動(dòng)是由一顆行星的引力導(dǎo)致的，這顆行星的質(zhì)量是地球的至少150倍（差不多等于木星質(zhì)量的一半），每4天環(huán)繞母恒星（即飛馬座51號(hào)星）一圈。隨著系外行星探索熱潮的興起，其他有關(guān)系外行星的發(fā)現(xiàn)接踵而至，這讓望遠(yuǎn)鏡經(jīng)理人劃撥更多的觀測(cè)時(shí)間給系外行星探索者。
隨著發(fā)現(xiàn)的系外行星越來越多，在位于美國馬薩諸塞州坎布里奇的“哈佛-史密森尼天體物理中心”工作的科學(xué)家沙博諾靈光閃現(xiàn)。他想到，當(dāng)一顆行星“凌日”（即從恒星正前方經(jīng)過）時(shí)，行星大氣層中的分子會(huì)吸收恒星的一些星光，行星大氣分子的光譜指紋因此留在了星光中。那么，有無可能探查這些指紋呢？
行星“HD-209458b”（想象圖）
為找到答案，沙博諾決定搜尋鈉。他解釋說，鈉并非特別豐富，但鈉的光譜特征很鮮明——激發(fā)態(tài)鈉分子會(huì)發(fā)射兩條很強(qiáng)的光線，鈉街燈發(fā)出明亮的橘紅光就是這個(gè)原因。當(dāng)鈉被背光照射，穿越它的光會(huì)在光譜中的相同點(diǎn)位留下暗色條帶。沙博諾希望，這些條帶會(huì)相對(duì)容易被發(fā)現(xiàn)。
沙博諾想的沒錯(cuò)。他的團(tuán)隊(duì)2002年宣布，使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，他們探查到了來自一顆木星大小的系外行星——HD 209458（距離地球150光年）的鈉信號(hào)。這既是對(duì)一顆系外行星的大氣層首次進(jìn)行探測(cè)，又是對(duì)系外行星大氣層進(jìn)行首次光譜學(xué)測(cè)量。此后短短幾年內(nèi)，基于太空的凌日觀測(cè)記錄了更多完整的光譜，探查到了諸如一氧化碳和水蒸氣之類的氣體。
沙博諾說，運(yùn)用這種技術(shù)意味著尋找恒星光譜中極微小的改變，改變幅度或許只有萬分之一。對(duì)于探索系外行星的科學(xué)家來說，“哈勃”是首選工具，原因是：“哈勃”不受光線被地球大氣層氣體吸收影響，所以“哈勃”獲得的光譜很干凈，容易解讀。但對(duì)“哈勃”觀測(cè)時(shí)間的競(jìng)爭(zhēng)很激烈，因此科學(xué)家也要使用地面望遠(yuǎn)鏡。
利用地面望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，的確必須對(duì)付大氣層干擾，但可以通過采集比“哈勃”能采集的星光更多的星光，來克服這個(gè)難題。這讓科學(xué)家能探查光線微弱的天體，并且更明確地分離單個(gè)光譜特征。由于大多數(shù)系外行星都位于相對(duì)于地球而移動(dòng)的恒星系統(tǒng)中，地面觀測(cè)獲得了回報(bào)。沙博諾說，恒星星光的波長(zhǎng)發(fā)生多普勒頻移，這意味著來自這些波長(zhǎng)的輻射被恒星運(yùn)動(dòng)拉伸或壓縮，它們的光譜線略微偏離地球大氣層中對(duì)應(yīng)的光譜線。因?yàn)檫@兩套光譜線不再重疊，所以科學(xué)家能確定究竟有多少信號(hào)來自于系外行星。運(yùn)用這種技術(shù)，科學(xué)家能探查到只占一顆行星大氣層10萬分之一的氣體。
對(duì)凌日光譜學(xué)技術(shù)的一種延伸，讓科學(xué)家得以測(cè)量反射自一顆行星表面的光線。他們做到這一點(diǎn)，是在行星從母恒星正面完全經(jīng)過后，即在行星位于自己軌道的遠(yuǎn)端、行星被母恒星星光照亮的一面朝向地球的情況下。雖然科學(xué)家依然不能看見一顆與恒星分開的單獨(dú)的行星，但他們知道行星光譜與恒星光譜是合并在一起的。稍后不久，行星會(huì)跑到恒星背后，被恒星完全遮掩。于是，科學(xué)家從測(cè)量行星光譜與恒星光譜的合并光譜轉(zhuǎn)到單獨(dú)測(cè)量恒星光譜，兩者的差異就能揭示行星的情況。當(dāng)然，這一過程遠(yuǎn)非說的這么簡(jiǎn)單明了，而是非常復(fù)雜、非常艱難，但它能夠測(cè)量一顆近距離環(huán)繞母恒星、木星大小的系外行星的紅外光光譜，哪怕這顆行星的亮度只有其母恒星的0.1%也行。
這項(xiàng)技術(shù)的另一個(gè)更具雄心的應(yīng)用，就是在一個(gè)完整軌道中跟蹤一顆系外行星。減去在行星被遮擋期間獲得的恒星光譜，科學(xué)家就能得到從薄薄月牙形態(tài)（當(dāng)行星剛剛結(jié)束凌日時(shí)）變到半月形態(tài)（當(dāng)行星位于恒星側(cè)面時(shí)）、再到滿月形態(tài)（當(dāng)行星位于自己軌道遠(yuǎn)端）的行星大氣光譜。這讓他們能制作相對(duì)細(xì)化的行星大氣層及其隨時(shí)間變化地圖。加拿大麥吉爾研究院（位于蒙特利爾）科學(xué)家考恩的團(tuán)隊(duì)2012年宣布，他們使用這項(xiàng)技術(shù)，并且運(yùn)用來自美國宇航局斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡的紅外數(shù)據(jù)，證明系外行星HD 189733b的表面最高溫出現(xiàn)在其赤道大約10°以內(nèi)，這與預(yù)測(cè)值吻合。從那以來，其他科學(xué)家運(yùn)用“哈勃”和“斯皮策”的數(shù)據(jù)，繪制了更詳細(xì)的系外行星大氣層地圖。考恩說，在JWST升空后，繪制一顆熱木星的3D地圖將變得很容易。
凌日光譜學(xué)其實(shí)也有缺陷。一些系外行星的云層光譜幾乎沒有任何特征，因?yàn)檫@些云層由液滴或細(xì)小塵埃微粒組成，它們不以孤立分子那樣的方式在光譜中留下的自己的印記。沙博諾說，這些云層的確讓人很頭痛?？茖W(xué)家無法直接測(cè)量這些云層的構(gòu)成，只是知道它們阻擋光線。它們不見得由水蒸氣組成。沙博諾指出，一顆云遮霧繞的系外行星——超級(jí)地球GJ 1214b是如此熾熱，以至于它的云層有可能由硫化鋅和氯化鉀組成。在溫度更高的系外行星上，云層甚至可能包含鐵或巖石的液滴。
美國康奈爾大學(xué)卡爾·薩根研究院院長(zhǎng)麗莎，指出了凌日測(cè)量方法的另一個(gè)缺陷。她說，當(dāng)光線擊中一顆凌日行星，光線不只是被吸收，還會(huì)在行星大氣層中被扭曲，這讓我們不可能在地球上看見系外行星。這種扭曲叫作折光。大氣層越稠密，折光越厲害。麗莎說，如果外星科學(xué)家試圖獲得地球的光譜學(xué)讀數(shù)，折光會(huì)把他們能探測(cè)的深度限制到地表以上最多10千米，而地球的大部分水都位于地球大氣層最下面10千米，與此類比，要想在一顆類地球系外行星上發(fā)現(xiàn)水，恐怕難上加難。
尋找和研究系外行星的另一種方法，是試圖阻擋恒星星光，直接拍攝系外行星，這相當(dāng)于把一只手放在探照燈前方來尋找螢火蟲。這方面的初期嘗試都以失敗告終：就算最暗的母恒星，也比系外行星亮得多。成功的秘訣，在于尋找偏離了探照燈并且比較明亮的螢火蟲。這種“螢火蟲”，就是形成后依然在高熱中發(fā)光、在遠(yuǎn)離母恒星的軌道中繞行的年輕行星。2008年，兩個(gè)科學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布對(duì)系外行星的的直接拍照首次成功，其中包括環(huán)繞HR 8799星、年齡約為6000萬年的3顆行星，以及環(huán)繞北落師門（南魚座主星，全天第18亮星）、年齡超過1億年的一顆行星。
系外行星“HR 8799b”（想象圖）
“HR 8799”行星系統(tǒng)示意圖
為獲取這些系外行星的光譜，科學(xué)家轉(zhuǎn)向了自適應(yīng)光學(xué)。這種技術(shù)能修正由地球大氣層渦流造成的恒星星光閃爍，從而讓尋找恒星附近的系外行星變得容易得多。同樣重要的，是在望遠(yuǎn)鏡光學(xué)通道中插入阻擋恒星星光的閥板（圓盤），并且用復(fù)雜的信號(hào)處理器對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化加工。
麥金托西是美國斯坦福大學(xué)科學(xué)家和系外行星HR 8799的發(fā)現(xiàn)者之一。他說，直接拍攝行星光譜是一種很美妙的技術(shù)，它能告訴我們有關(guān)行星本身和行星形成過程的大量信息。麥金托西團(tuán)隊(duì)2011年報(bào)告說，運(yùn)用一部第一代直接成像儀器（它只能觀測(cè)溫度高于一個(gè)限定值的系外行星），他們首次在一顆系外行星上探查到了水蒸氣。麥金托西目前是“雙子座行星成像儀”主要調(diào)查員。這部成像儀再加上與之相似的“光譜-偏振測(cè)定高對(duì)比度系外行星調(diào)查成像儀”（簡(jiǎn)稱SPHERE，位于歐洲南方天文臺(tái)的特大望遠(yuǎn)鏡），是直接拍攝和測(cè)定溫度更低的系外行星光譜的第二代成像儀。
2014年11月，雙子座成像儀發(fā)起了為期多年的、對(duì)環(huán)繞熾熱年輕恒星的類木星行星的搜尋。對(duì)波江座51號(hào)星（一顆年齡約為2000萬年的恒星）的初期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了一顆類木星系外行星——波江座51b，它距離其母恒星是木星距離太陽的2.5倍遠(yuǎn)。光譜顯示，波江座51b的大氣層中含有比其他系外行星更多的甲烷（木星大氣層中的一種已知化合物）。庫里說，波江座51b及其他新發(fā)現(xiàn)的系外行星令人興奮之處，在于我們是在它們的光譜看起來“只有一點(diǎn)點(diǎn)更正?！钡那闆r下看見它們的。與那些更年輕、溫度更高的恒星周圍的行星（極度缺乏甲烷）相比，這些系外行星更像是木星。這可能很有助于我們了解行星形成過程。關(guān)于行星形成過程的現(xiàn)有理論，基本上都是基于在太陽系中獲得的數(shù)據(jù)。
SPHERE已經(jīng)展開了一項(xiàng)類似的探索，但這項(xiàng)始于2015年2月的探索起步較晚，探索成果相對(duì)也較少。巴黎天文臺(tái)科學(xué)家安東尼說，SPHERE迄今為止最有趣的發(fā)現(xiàn)，是一組共5個(gè)正在高速離開微鏡座AU（一顆年輕恒星，以異常容易出現(xiàn)耀斑及其他活動(dòng)聞名）的氣團(tuán)。安東尼還說，他們并不清楚這些氣團(tuán)是什么。
“特大望遠(yuǎn)鏡”
“凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星”（示意圖）
與自己的早期日子相比，系外行星光譜學(xué)已經(jīng)走過了很長(zhǎng)一段路?；厥桩?dāng)初，系外行星探索者們困于從嘈雜環(huán)境中抽取極微弱的信號(hào)。首批探測(cè)結(jié)果常常問題多多。麗莎說，目前在系外行星探索方面的成果一般都站得住腳，經(jīng)得起重復(fù)調(diào)查。
更新一代系外行星探測(cè)儀器有望取得更多發(fā)現(xiàn)。美國宇航局的“凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星”（簡(jiǎn)稱TESS）定于2017年8月發(fā)射，它將花兩年時(shí)間搜尋在太陽系附近對(duì)超過20萬顆最明亮恒星進(jìn)行凌日的系外行星。系外行星也是JWST的探測(cè)目標(biāo)。憑借自己的6.5米望遠(yuǎn)鏡和先進(jìn)儀器，JWST將會(huì)看見比只有2.4米望遠(yuǎn)鏡的“哈勃”能看見的更多的東西。麥金托西預(yù)計(jì)，TESS和JWST的巡天探測(cè)時(shí)間將長(zhǎng)達(dá)5年之久。
其他兩個(gè)尚未獲批的太空任務(wù)，也將使用系外行星光譜學(xué)。美國宇航局的“寬視場(chǎng)紅外調(diào)查望遠(yuǎn)鏡”預(yù)計(jì)于2025年前后發(fā)射，它將用大部分時(shí)間探索宇宙學(xué)問題，但也可能發(fā)現(xiàn)和研究大約2600顆系外行星。庫里說，它應(yīng)該能拍攝環(huán)繞附近恒星的類木星行星，但對(duì)于和冥王星或假想存在于太陽系邊緣的“X行星”相似的較小、溫度較低的天體，這部望遠(yuǎn)鏡依然鞭長(zhǎng)莫及。麥金托西說，需要一部10米的太空望遠(yuǎn)鏡，才可能更好地探索類地球系外行星。
第二項(xiàng)任務(wù)是“大氣遙感紅外系外行星大型調(diào)查”（簡(jiǎn)稱ARIEL），也是歐空局計(jì)劃在2026年發(fā)射的3項(xiàng)中級(jí)任務(wù)候選對(duì)象之一。這部直徑1米的太空望遠(yuǎn)鏡將致力于凌日光譜學(xué)調(diào)查，主要對(duì)象是溫度高于一定值的系外行星。
大約10年后，科學(xué)家希望見到3座超大型望遠(yuǎn)鏡的建造完成，它們分別是：位于智利拉斯坎帕納斯的“巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡”（直徑24.5米）、位于夏威夷莫納克亞山的“30米望遠(yuǎn)鏡”和位于智利塞魯阿瑪遜斯山的“歐洲超大望遠(yuǎn)鏡”。這3座望遠(yuǎn)鏡都將配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。可以肯定，它們將進(jìn)行系外行星光譜學(xué)調(diào)查，以測(cè)試基于一些所獲數(shù)據(jù)而建立的多個(gè)模型。
沙博諾說，要想在更寬的宇宙范圍內(nèi)尋找生命，這些測(cè)量可能將為科學(xué)家提供第一個(gè)真正的機(jī)會(huì)，“我如此興奮”。
前述所有探測(cè)系外行星的方法，一般人在一定程度上靠直覺都能理解。雖然科學(xué)家利用引力透鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不多的系外行星，但這種方法需要更多抽象思維才能理解。
設(shè)想一顆距離我們很遠(yuǎn)的恒星，以及另一顆位于它和地球之間的恒星。在為數(shù)很少的時(shí)候，這兩顆恒星在地球夜空中會(huì)幾乎重疊。在這種情況下，距離我們較近的那顆恒星的引力就像是充當(dāng)了一面透鏡。來自那顆遙遠(yuǎn)恒星的星光，在經(jīng)過那顆較近恒星附近并朝著我們而來的過程中，會(huì)被較近恒星所充當(dāng)?shù)耐哥R放大。如果是附近有一顆行星的一顆恒星充當(dāng)透鏡，行星引力場(chǎng)可能會(huì)對(duì)放大效果有一點(diǎn)點(diǎn)但又可探查到的貢獻(xiàn)。于是，在某些罕見情況下，科學(xué)家能通過系外行星放大更遙遠(yuǎn)恒星星光的方式，來推測(cè)系外行星的存在。
(本文圖片大部分引自美國宇航局）
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