【探索14】重力透鏡，宇宙的天然望遠鏡
■講到「穿越」這兩個字，大家想到的通常會是像電影《星際效應》那樣，穿越一個蟲洞，找到一顆行星，非常具象又很好理解。不過我們今天講的「穿越」，是指本身會造成時空扭曲的行星系統，在經過遙遠光源射出的光線時，光線穿越了行星系統，產生一個聚焦效應。這就是所謂的「重力微透鏡」，也就是我們如今用來尋找系外行星的主要工具之一。
講師｜中研院天文及天文物理所 辜品高 副研究員
撰文｜高英哲
所謂系外行星，指的是在太陽系外，環繞著太陽以外其他恆星的行星。宇宙裡有各式各樣的系外行星，有因為距離母星太近，所有岩石都被熔化，汽化後拉出一條類似彗星尾巴的熔岩行星；有類似木星結構，但是表面溫度高達攝氏兩千多度的熱木星。有些系外行星運行軌道千奇百怪，有橢圓的，彼此不共面的，甚至跟母星自轉方向逆行的；有些系外行星則是屬於雙星系統，也就是有兩顆太陽。
尋找新行星的方法，可以從已知行星軌道不合理的現象推敲，比方說海王星就是根據天王星軌道運行速度與預測值的落差，用牛頓力學推敲出來的。當天文學家發現水星橢圓形軌道的長軸，有緩慢向公轉方向進動的怪現象時，他們嘗試故技重施，想要找到一顆可用牛頓力學解釋的新行星，卻沒有找到。這問題後來是由愛因斯坦的廣義相對論裡，空間扭曲的概念加以解決：愛因斯坦認為牛頓力學所說的重力，其實就是物質造成時空幾何扭曲的現象，用這個概念就能充分解釋牛頓力學未能解釋的部分。
在愛因斯坦於 1915 年發表廣義相對論之後數年，英國天體物理學家愛丁頓爵士 (Sir Arthur Stanley Eddington) 利用日食，觀測受太陽重力影響而位移的背景星光，藉此驗證廣義相對論。在將近一百年之後，天文學家用這套原理所產生的重力透鏡效應，來尋找系外行星。重力透鏡可說是宇宙裡最大的天然望遠鏡，可將背景光源放出的光線聚焦；不過由於觀測者、前景透鏡跟背景光源，三者很少能夠構成一條完美的直線，因此聚焦的光線也很少會形成漂亮的愛因斯坦環 (Einstein ring) 。當我們使用重力透鏡來尋找系外行星時，為了要增加三點一線，找到行星的「中獎機率」，我們會往背景星光很多的區域進行觀測；這樣的星空以在南半球進行觀測居多，這也就是為什麼重力透鏡的觀測站，大多設在位於南半球的天文台。
重力透鏡第一次找到系外行星，是波蘭天文學家帕琴斯基 (Bohdan Paczyński) 在 2003 年，利用設於智利的「光學重力透鏡實驗」 (OGLE) 發現；由於做為前景透鏡的行星系統，質量相對於星系甚至於星系團來說很小，我們稱之為重力微透鏡。行星系統通過可以成像的愛因斯坦半徑（也就是愛因斯坦環的半徑），造成亮度變化的時間，可能只有短短幾個小時；因此重力微透鏡的觀測，需要把世界各地的觀測站串聯起來，接力進行觀測，比方說 OGLE 跟日本設於紐西蘭的 MOA 望遠鏡合作，以及南韓的 KMTNet 觀測網，都是全球接力觀測網路。
目前透過重力微透鏡發現的系外行星，大多是質量比較大，距離恆星比較近的行星；質量以及軌道與地球類似的系外行星，還有待尋找探索。利用行星凌日時造成的光度變化，尋找系外行星的克普勒太空望遠鏡，在這方面的成績比較傑出，自 2009 年發射迄今，已經確認了一千多顆系外行星；今年七月宣佈發現的克卜勒-452b ，其大小以及環繞恆星的軌道，都跟地球十分類似，甚至可能存在有液態水，被媒體稱為「第二個地球」。不過凌日觀測法只能確認凌日星體的大小，無法確認其質量，凌日的也有可能是白矮星之類的星體；這是重力微透鏡觀測法可以補其不足的地方，藉由重力透鏡效應計算修正星體凌日的亮度變化，可剔除那些明顯不可能是行星的凌日星體，從中找出真正的系外行星。
我們用各種方法尋找系外行星，除了想要找到一個未來可供人類移居的行星以外，更是想要回答一個亙古以來的神聖問題：這個地球以及在上面繁衍的生命，究竟是宇宙間的常態抑或偶然？著名的德瑞克方程式 (Drake Equation) ，就是用貝氏機率的概念，試圖表達這個問題：宇宙間懂得使用電子通訊的文明數目，等於銀河系裡的恆星數，乘以五個機率（一個恆星有行星的機率、行星落於適居帶的機率、生命可在這顆行星上產生的機率、生命可進化成資訊文明的機率、資訊文明可以存續的機率）。天文學家可以做到的，是把銀河系的恆星數以及前兩個機率，這三個數字盡量予以量化；重力微透鏡透過光線「穿越」時空的方式，可幫助我們確認行星落於適居帶的機率，使我們對於系外行星的探索，往前更加貼近一步。
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本文整理自：104/10/24由辜品高副研究員在臺大應力所國際演講廳所主講之「『穿越』時空找行星」演講內容。
