探索外星生命 (3) — 尋找遠在他鄉的行星

太陽系以外的行星被稱為「系外行星」,為了探索外星生命,尋找宇宙中其他像地球一樣的系外行星是很重要的步驟。1995年人類第一次發現繞轉恆星的系外行星,至今已經發現了5000多顆!尋找系外行星最主要的方法稱為「逕向速度法」和「凌日法」。

撰文|許世穎

圖片出處:NASA Ames/ W Stenzel [1]

前文《探索外星生命 (2) — 無中生有的生命與適合生命的區域》介紹到,恆星周圍有一圈「適居帶」,在適居帶中的行星有很高機率能蘊藏液態水,而液態水則是我們認定能孕育生命的重要環境。目前太陽系內已知現存大量液態水的行星只有地球,難道尋求外星生命無望了嗎?

不用擔心,太陽不是唯一的恆星,地球當然也不會是唯一的行星。可以想像,除了我們自己太陽系的八大行星以外,宇宙中還有無數顆行星,繞著它們各自的母恆星轉。這些不在太陽系的行星,被稱為「系外行星(Exoplanet)」!

人類在1992年第一次觀測到了系外行星,不過這些行星繞轉的不是恆星,而是一顆「脈衝星(Pulsor)」。不過很快地,1995年瑞士天文學家Michel Mayor和Didier Queloz就發現了繞轉恆星的系外行星:「飛馬座51b(51 Pegasi b)」,這兩位發現者(圖1)最終也在2019年獲得了諾貝爾獎物理學獎。

圖1:瑞士天文學家 Didier Queloz和Michel Mayor。他們在1995年發現第一顆繞轉恆星的系外行星。圖片來源: L. Weinstein/Ciel et Espace Photos [2]

●   逕向速度法:看看恆星是不是在繞圈圈

究竟天文學家是怎麼發現系外行星的呢?行星自己不會發光,而且距離地球太遙遠,因此要「直接看到系外行星」是不太可能的事情。科學家必須仰賴其他方法,從數據當中來找尋系外行星存在的線索,最好用的方法之一為「逕向速度法」。

「逕向速度法」的意思,就是去找出「恆星在原地繞圈圈」的現象。想像一下:兩個人手互相牽著,在溜冰場上轉圈圈(如圖2)。這兩個人如果一樣重的話,繞轉的圈就會一樣大;但是如果其中一個人比較重的話,他繞轉的圈就會比較小;如果兩個人重量相差非常懸殊的話,比較重的人看起來就幾乎不動了。

圖2:想像兩個人手牽著手溜冰,重量一樣時,繞的圈圈是一樣大的;但是如果其中一個人特別重,那他繞的圈就會比較小。恆星與行星之間的作用也是這樣,恆星一般來說比行星中太多了,所以繞轉的現象變得不明顯。圖片來源:S.-Y. Hsu

 

 行星與恆星互相繞轉就是這個道理,不只是「行星繞恆星轉」,而是「行星與恆星互相繞對方轉」,只不過一般來說恆星實在比行星重太多啦!所以恆星繞圈的現象並不明顯。但是如果行星很重、距離恆星也很近的話,那恆星繞轉時的速度就會比較快,發出來的光頻率/波長也會變得不太一樣(註)。這就是「逕向速度法」:科學家若從觀測資料中看出某顆恆星在繞轉,就代表那顆恆星身邊有行星!目前約有18.4%的系外行星是利用這個方法找出來的 [3]。
 
註:這個現象稱為「都普勒效應(Doppler effect)」。
 
不過這個方法有個缺點,因為要讓恆星繞轉的速率大到讓科學家可以觀測出來的話,這些行星必須又重、距離恆星又近才可以。以太陽系來說,就好像把木星放到金星附近一樣,因此科學家以「熱木星(Hot jupyter)」來稱呼這些行星。若要利用這個方法找出像地球這樣的行星,就相當不容易了。

 
●   凌日法:看看有沒有東西遮住恆星

尋找系外行星的方法除了逕向速度法以外還有很多,這裡再介紹一個更直覺的方法!想像一下:我們眼睛看著一顆燈泡,突然有隻蒼蠅燈泡前面飛過去,這個燈泡的亮度肯定會稍微暗一些些。雖然具體來說變暗多少要看這隻蒼蠅有多大,我們肉眼不一定看得出來,但使用好的儀器就能夠觀測到。
 
行星繞恆星也是一樣的!當行星經過恆星前面的時候,從地球上看過去,恆星的亮度就會變暗一些些。這給了科學家可乘之機,能從恆星亮度突然變暗的現象找出系外行星(如圖3)。

圖3:凌日法解說。上為行星經過恆星的示意圖;下則為對應的亮度變化,橫軸是時間,對應到行星的位置,縱軸則是亮度。當行星經過恆星前面的時候,恆星會變暗一些。圖片來源:NASE Ames [4]

有人會質疑:「萬一真的有蒼蠅或什麼小碎屑經過望遠鏡,導致亮度變暗怎麼辦?」放心,行星不會只繞恆星一圈,而會規律地繞轉,而蒼蠅總不會規律地去擋望遠鏡吧?(真的有的話或許也是一種新的發現......)所以只要看到恆星的亮度定期會變暗一陣子,就可以確定是行星經過啦!這個方法叫做「凌日法(Transit photometry)」,也是現在找尋系外行星的主流方法,目前約有76.6%的系外行星是利用這個方法探尋到的 (圖4[3]

圖4:橫軸是年份,縱軸是當年度發現的系外行星數量,不同顏色表示不同的方法。圖片來源:改自Betseg [5]

不過當行星體積很小的時候,恆星變暗的程度就會很不明顯。所以利用凌日法雖然能找到很多系外行星的候選,但往往還是需要更近一步的觀測來佐證。

 

 ●   探索系外行星的主力

克卜勒太空望遠鏡(Kepler space telescope)是美國航太總署(NASA)發射的太空望遠鏡,最主要的目標之一,就是利用凌日法找出更多的系外行星。科學家目前已經從克卜勒太空望遠鏡所觀測到的資料中,新發現了超過2700顆系外行星[6]!2018年11月,望遠鏡燃料用罄。依照科學家的設計,向它傳送了名為「goodnight.」的指令後,克卜勒太空望遠鏡正式退役,沿著原來的軌道離地球而去。

圖5:克卜勒太空望遠鏡(Kepler Space Telescope)示意圖。圖片來源: NASA Ames/ W Stenzel [1]

頗富傳承意味的是,就在同年(2018年)4月,「凌日系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,簡稱TESS)」發射升空,接續下去尋找系外行星。這兩個太空望遠鏡的目標略有不同,克卜勒望遠鏡靈敏度相當好,不過只專注觀測天鵝座、天琴座、天龍座一帶的某個區域,可以盡可能找出該區域中的行星;而TESS雖然靈敏度較差,但會搜尋整個天區,建立出全天的系外行星目錄。未來科學家將可以依照目錄進一步進行觀測。

目前科學家找到的系外行星有超過5000個,當中究竟有沒有與太陽系、甚至地球相類似的情形呢?當然有,甚至還不少......(待續)。

 

參考資料:

  1. Wikipedia Commons / NASA-KeplerSpaceTelescope-ArtistConcept-20141027
  2.  ESO / Didier Queloz and Michel Mayor at La Silla
  3.  NASA / Exoplanet Exploration
  4.  NASA / Light Curve of a Planet Transiting Its Star
  5.  Wikipedia Commons / Betseg, Confirmed exoplanets by methods EPE, Wikipedia Commons
  6. NASA / Exoplanet Archive / Exoplanet and Candidate Statistics
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