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

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。

●   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。

 

 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）。

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]。

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。

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