你知道什么是行星嗎？恒星和行星有什么區(qū)別？

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在過去的25年里，天文學(xué)家們在太陽系之外發(fā)現(xiàn)了3700多個世界。他們怎么找到它們的？

系外行星天文學(xué)家的圖像已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3700多顆系外行星，或太陽系外的行星，包括600多個多行星系統(tǒng)，另有近5000個候選行星等待確認(rèn)。被發(fā)現(xiàn)這些的這些系外行星包括與木星相似的大行星、較小的地球大小的行星，甚至還有7顆密度與地球、金星和火星相似的巖石行星。

許多這些發(fā)現(xiàn)都?xì)w功于美國宇航局的開普勒任務(wù)及其繼任者K2，該項(xiàng)目使用專用的天基望遠(yuǎn)鏡測量我們的星系附近一些小型的和地球大小類似的行星。美國宇航局的下一個主要的系外行星狩獵工作，稱為TESS，簡稱過境系外行星測量衛(wèi)星，將調(diào)查地球附近的20多萬顆恒星，并有望發(fā)現(xiàn)數(shù)千個新世界。TESS于2018年4月發(fā)射并使用SpaceX獵鷹9號火箭。

那么，天文學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)系外行星的，我們實(shí)際上對太陽系外的這些世界又了解多少？

過境系外行星

開普勒和TESS天基飛行任務(wù)所使用的方法，以及發(fā)現(xiàn)最外行星的方法，是利用系外行星探測的過境方法。據(jù)說當(dāng)一顆行星經(jīng)過我們和一顆恒星之間時，這顆行星正在過境。在我們自己的太陽系中，當(dāng)水星和金星的軌道將水星和金星帶到地球和太陽之間時，我們就能看到它們的過境。

盡管行星相對于恒星而言是小的，但當(dāng)行星的路徑穿過我們對于主恒星的視野時，行星會阻擋來自該恒星的少量光。當(dāng)行星位于恒星前面時，天文學(xué)家可以測量來自恒星的光的亮度的下降值，以及觀測亮度下降的時間長度。知道了恒星的質(zhì)量，在開普勒行星運(yùn)動第三定律的一點(diǎn)幫助下，這兩個測量值可以告訴你行星離它的主星有多遠(yuǎn)。根據(jù)行星軌道的大小從而估計那里的溫度是否適合液態(tài)水，這是適合生命生存的關(guān)鍵。如果天文學(xué)家對主星的大小有估計，他們也可以推斷出行星本身的大小。

圖解：利用凌日法偵測系外行星，下方的線圖代表不同時間地球所接收到的光量。

由于我們事先不知道哪些恒星周圍有行星，以及哪些恒星有完美的對齊，所以這些行星將通過我們和它們的主恒星之間，因?yàn)樗麄兊能壍溃�我們也不能預(yù)測這些過境什么時候會發(fā)生，使用過境方法發(fā)現(xiàn)系外行星需要對數(shù)十萬顆恒星進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。因此，美國宇航局已經(jīng)投資了專門的太空望遠(yuǎn)鏡，如TESS和開普勒，他們致力于這種監(jiān)測。

徑向速度方法

盡管由于這些行星探測空間任務(wù)，尋找系外行星的過境方法現(xiàn)在更為普遍，但系外行星探測的第一次激增實(shí)際上是使用一種稱為徑向速度或多普勒方法的不同技術(shù)。為了理解這種方法，我們首先必須了解一些關(guān)于行星軌道。我們認(rèn)為行星是圍繞其主恒星運(yùn)行的，但實(shí)際上恒星和行星一起圍繞它們共同的質(zhì)量中心運(yùn)行。當(dāng)你有兩個質(zhì)量相等的軌道物體時，它們的質(zhì)量中心將位于它們之間的中點(diǎn)，因此它們看起來會圍繞一個中心點(diǎn)在軌道上相互追逐。然而，恒星的質(zhì)量比行星大得多，所以這個系統(tǒng)的質(zhì)量中心離主恒星更近。這種不平衡導(dǎo)致行星的軌道變大，只有一顆微小的擺動在主恒星的位置。雖然很小，但這種擺動仍然是可以測量的。

圖解：太陽系的質(zhì)量中心運(yùn)動相對于太陽的位置。

天文學(xué)家通過尋找發(fā)射線的多普勒偏移來監(jiān)測恒星的位置，指示相對于我們（觀眾）的向前或向后運(yùn)動。在600-700顆系外行星之間已經(jīng)以這種方式被發(fā)現(xiàn)，它仍然是從地面觀測站使用最簡單的技術(shù)。然而，行星越大，行星離主恒星越近，其引力對主恒星的影響就越大，即恒星的擺動越大。因此，多普勒方法更適合于尋找非常接近其主恒星的巨大行星，這種行星因此被昵稱為"熱木星"。

系外行星的直接成像

你可能想知道為什么天文學(xué)家使用這些間接的方法來尋找系外行星，而不是直接拍攝它們的照片。好吧，這是由于行星本身是不能發(fā)出自己的（光學(xué)）光，而只能反射來自它主星的光，而且它們比主恒星小得多，所以尋找行星的光就像是試圖挑出一只懸掛在搜索燈旁邊的螢火蟲，還是從千里之外尋找。

圖解：藝術(shù)家印象下的脈沖星PSR 1257+12的行星系統(tǒng)。

然而，現(xiàn)在天文學(xué)家們知道有數(shù)千顆系外行星等待被發(fā)現(xiàn)，他們正在開發(fā)一種新技術(shù)，通過以某種方式遮蔽主恒星的光來實(shí)現(xiàn)直接成像。這種阻擋可以在光線進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡之前或之后進(jìn)行。直接成像方法仍處于起步階段，但它已經(jīng)顯示出了大好的前景，使用這種方法已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約40顆系外行星。直接圖像有可能告訴我們更多關(guān)于行星的信息，包括關(guān)于行星的大氣層和組成的信息，而不是我們可以從更多的間接方法中學(xué)到的，因此它是系外行星研究的一個重要領(lǐng)域。

系外行星的驅(qū)動力是，我們渴望了解我們生存的一小個角落是多么常見或獨(dú)特，最終證實(shí)我們在宇宙中是否是獨(dú)一無二。

系外行星檢測方法

還有其他一些尋找系外行星的方法，盡管不太常見，包括引力微透鏡。愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，穿過引力場的光線會圍繞產(chǎn)生該場的巨量物體彎曲，這種效應(yīng)稱為透鏡效應(yīng)，或者在行星等質(zhì)量極低的物體（如行星、微透鏡）的情況下。因此，當(dāng)行星在我們和遙遠(yuǎn)恒星之間經(jīng)過時，有可能看到遠(yuǎn)處恒星圍繞行星彎曲的光。在這個過程中，恒星的光也會被放大，因此觀察恒星亮度的這個短暫峰值不僅會顯示一個物體在恒星前面經(jīng)過，還會顯示這個移動物體的質(zhì)量。不幸的是，這些微透鏡事件通常不會重復(fù)，因此不容易驗(yàn)證。

發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星是由一種完全不同的技術(shù)