使用径向速度法探测系外行星的代表仪器之一是“高精度径向速度行星搜索器”(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher,HARPS),它被安装在欧洲南方天文台(ESO)的口径为3.6米的望远镜上面(望远镜的口径指的是其采光镜面的直径)。
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ESO的口径为3.6米的望远镜(上)与HARPS的内部结构的一部分(下)。
图片来源:S. Brunier/ESO(上);http://www.eso.org/public/teles-instr/lasilla/36/harps/(下)
至今为止,天文学家用径向速度法发现了1005颗系外行星,约占总数的18.37%。特别值得一提的是,天文学家使用这个方法,于2016年确认离太阳系最近恒星——比邻星,拥有系外行星,即“比邻星b”(Proxima b),它的质量下限略大于我们的地球。
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围绕比邻星公转的行星“比邻星b”(Proxima b)的艺术想象图(右),以及它与地球的大小比较。“比邻星b”的质量仅略大于地球,它存在的证据于2013年被提出,并于2016年被确认。
图片来源:PHL @ UPR Arecibo, NASA EPIC Team
3.微引力透镜法
根据广义相对论,有质量的物体会弯曲周围的时空,光经过它们附近时,将走曲线。如果光源与地球之间存在一个质量较大的天体,且三者几乎成一直线,那么后者就会像透镜一样放大光源的亮度(弱引力透镜),甚至产生双重像或多重像(强引力透镜)。充当透镜的天体就是引力透镜。
作为弱引力透镜的天体在漂移的过程中,背景天体的亮度的放大比例会先变大、后变小,最接近三点一线或三点一线时,放大的比例最高。因此,漂移的弱引力透镜会使背景光源的亮度发生变化,使其亮度先变亮、再变暗。
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微引力透镜法示意图。图中的Source star是作为光源的背景恒星,Lens star为充当透镜的恒星,Planet为充当微引力透镜的行星,Observer为观测者。
图片来源:NASA
漂移的恒星可以成为这样的弱引力透镜。如果恒星还带着一个行星,在恒星漂移的过程中,行星也对引力透镜效应做出额外贡献,导致本来光滑变化的光变曲线突然增加了一个非常窄的尖峰,这就是行星的微引力透镜效应。这样的尖峰是系外行星可能存在的信号。
至今为止,天文学家用微引力透镜法发现了212颗系外行星,占总数的3.87%。微引力透镜法的征婚交友女式缺点是无法重复,因为恒星飘走后就不再回头,但它的优点是信号清晰。
使用微引力透镜法寻找系外行星的代表仪器是“光学引力透镜实验”(OGLE)与“韩国微引力透镜望远镜网”(KMTNet)。前者先是由一台口径为1米的望远镜执行,然后由一台口径为1.3米的望远镜执行;后者由3台口径为1.6米的望远镜执行。
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位于智利Las Campanas天文台的口径为1.3米望远镜的圆顶,它被用来执行OGLE任务。图源:Krzysztof Ulaczyk
4.直接成像法
凌星法、径向速度法与微引力透镜法都是间接确定系外行星的方法。它们并不是百分百准确,有时候会有假信号。为了排除假信号,对于一部分系外行星的候选体,天文学家会尽量同时用其他方法交叉检验。
然而,即使人们用以上3种方法完全确认了系外行星的存在并推断出它们的一些基本性质,也依然无法看到这些系外行星。直接成像法可以弥补“无法看到系外行星”的遗憾。
如果母恒星的亮度与行星的亮度的比值不是非常大,且二者距离足够远,天文学家可以直接把两者都拍摄进去,如低亮度的褐矮星2M1207与围绕它运转的行星2M1207b。
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VLT-1(“Antu”,意为“太阳”)于2004年拍摄的褐矮星2M1207与其行星2M1207b的近红外伪色图像,它们分别被显示为蓝白色与红色。2M1207是一颗低亮度的、质量仅为木星质量25倍的褐矮星,而2M1207b的质量是木星的3~10倍,恒星的光并不占据压倒性的优势,因此可以直接被同时拍摄到。
图片来源:ESO
然而,由于选择效应,人类更容易看到明亮的恒星,它们的亮度大大高于绕着它们转的行星。因此,天文学家必须用一种名为“星冕仪”的设备挡住恒星发出的光,从而拍摄到恒星附近行星的图像。
星冕仪的技术源自日冕仪,后者用来遮挡太阳表面发出的光,从而可以让天文学家观测日冕。日冕是太阳外层的大气,因为其形状像帽子(“冕”)而得名。虽然日冕仪与星冕仪的设计目标不同,但它们本质上都是遮蔽恒星的光,让天文学家可以拍摄到恒星周围的物质或物体。