行星搜寻的工作原理

寻找太阳系以外的行星有点像阅读贴在远处灯塔灯上的邮票：母星的光芒如此耀眼，以至于它们的眩光淹没了一切。为了弥补这一不足，科学家们设计了巧妙的检测方法系外行星通过测量它们对母星的影响。

一颗行星通过两种有用的方式影响它的恒星。首先，当行星绕着它运行时，它的引力会轻微地来回拖动恒星。第二，从我们的角度看，当行星从恒星前面经过时，它会挡住少量的光。

我们可以使用一些简便的方法来检测这些效果，每种方法都有自己的优缺点。让我们解决天体测量学第一。当一颗绕轨道运行的行星的引力拉着它的母恒星时，它会导致恒星摆动在天空中穿行。我们可以通过精确测量恒星的位置来辨别这种微小的运动。基于时期，或恒星完成一次摆动所需的时间，我们可以计算出行星轨道的周期和半径，以及行星的质量。天体测量学最擅长发现轨道远离太阳的巨大行星。

多普勒光谱也利用了这种引力推拉，但天体测量学使用的是物体的相对侧向运动明星，此方法使用多普勒频移这是由于这颗行星把它的恒星拉向地球，然后又拉离地球。当恒星向地球移动时，它的光被压缩，或“蓝移”，向光谱中较短的波长移动。当它远离我们时，我们看到光波向光谱的红色(较长波长)一端延伸。通过测量一颗恒星随时间变化的光谱，我们可以探测到由一颗或多颗行星引起的多普勒频移，这些行星将恒星移向或移离我们。

多普勒频移也能告诉我们恒星的位置径向速度（恒星向我们移动和远离我们的速度有多快）。正如你所料，较大的径向速度意味着较大的行星。根据恒星的质量和移动周期，我们还可以计算行星的轨道半径。这种方法最适合探测位于其母星附近的大质量行星，并且只能估计此类行星的最小质量。

光度测定它不寻找抖动或位移，而是观察一颗绕轨道运行的系外行星所导致的恒星亮度变暗过境，或者从它和我们之间穿过。

结合这三种方法可以让天文学家对这些行星有一个更清晰的图像。接下来，我们将探索开普勒任务是如何使用光度学对可能居住的行星进行恒星普查的。

开普勒是第一个国家航空和航天局能够找到地球大小的任务行星其他恒星周围。它的主要目标是对在适宜液态水存在的宜居带内运行的此类行星的数量进行基本估计或普查。

该仪器包不是用卫星环绕地球运行的：它安装在一个直径为9英尺（2.7米）、高度为15.3英尺（4.7米）的航天器内，该航天器绕太阳运行，跟踪我们的地球。

开普勒使用了一个大视场望远镜和一个光度计（测光仪）同时测量156000多颗恒星的亮度变化[来源：美国宇航局艾姆斯研究中心寻找地球大小的候选行星]．这些读数每30分钟需要一次，因为根据行星的轨道和所涉及的恒星类型，凌日可能需要1小时到半天的时间。

这项任务的科学家还利用地面天文台的光谱数据来帮助确定候选行星，并利用恒星观测来消除其他混杂因素，如双星(围绕共同质量中心旋转的一对恒星)。

天鹅座-天琴座邻近区域被选为研究区域，因为它居住着大量的恒星，而且位于地球轨道平面上方，太阳、地球和月球不会妨碍开普勒的观测。这些恒星距离我们600到3000光年。从我们的角度来看，它们的面积相当于天空的1/400[来源:哈伍德]．

开普勒通过光度法或凌日法探测行星，这意味着当一颗绕轨道运行的行星经过其恒星和我们之间时，它会探测到恒星亮度的微小下降。一旦数据分析确定了一个变暗事件，科学家们就会寻找同样大小、持续时间和周期的进一步下降，以确认这颗行星的存在。

这绝非易事:一颗地球大小的行星经过一颗太阳大小的恒星时，其光线仅会变暗0.01%。美国宇航局的人喜欢说，探测到如此微小的下降就像从几英里外发现一只跳蚤在前灯上爬行。木星大小的行星投下的阴影更大。即便如此，从太阳系外的角度看，木星凌日也只会使太阳的亮度降低1 - 2%。艾姆斯研究中心，常见问题]．

还有更多。为了让凌日方法发挥作用，行星必须几乎完全沿着我们的视线通过，地球大小的行星（在地球大小的轨道上）和木星大小的行星（如果在其恒星附近轨道上）的几率分别为0.5%和10%。[来源：艾姆斯研究中心，常见问题]．

换句话说:即使我们检查了10万颗确实有类地行星的恒星，我们也只能通过凌日法“看到”其中的500颗。利用这样的概率，科学家可以根据开普勒的观测估计银河系的行星数量。

在开普勒出现之前，天文学家所定位的遥远行星的数量是几十个和几百个，而不是几千个。然而，考虑到科学家使用现有仪器所面临的局限性，这是一个非凡的数字——特别是地面望远镜，这需要研究人员补偿大气压力扭曲。

在2005年至2008年间，研究人员发现了5个超级地球，每一个的质量都是地球的5到10倍。

2008年，天文学家使用哈勃太空望远镜的近红外摄像机和多目标光谱仪首次探测到一颗系外行星上的二氧化碳。该方法包括从恒星和行星的综合数据中减去母恒星的光谱数据。不幸的是，这个木星大小的系外行星HD 189733 b其轨道过于接近其恒星而不适宜居住，但如果将这项技术应用于其他宜居候选者，可能会提供有价值的信息。科学家们对二氧化碳感兴趣是因为它像甲烷一样可以指向生物过程。

2009年，天文学家报告了通过天体测量发现的第一颗系外行星，把它加入了之前用多普勒频移法发现的350颗行星的名单。如果得到证实，VB 10 b它的质量是木星的六倍然而，随后的多普勒光谱学观测未能在其母星VB 10中检测到预期的径向速度变化，这一说法被驳斥了[来源:豆]．

同年，科学家们宣布，利用地面业余望远镜进行了六个月的观测GJ 1214 b，这颗行星的质量是地球的6.5倍，宽度是地球的2.7倍。研究人员认为，地球可能主要由水构成。GJ 1214b围绕一颗距离地球40光年以上的红矮星运行，距离相当于水星和太阳之间空间的40分之一。

2010年和2011年有哪些发现？

一位艺术家从一个倾斜的角度对开普勒-11行星系统和我们的太阳系进行了观察。这个角度有助于显示每个行星系统的轨道位于相似的平面上。

图片由国家航空和航天局

2010年3月，研究人员宣布了另一个里程碑:一颗类木行星，距离地球1500光年，相对较冷，可以对其进行详细研究。因为COROT卫星发现了它，它被命名为COROT-9b．之前的工作已经发现了其他冷行星，但COROT-9b是第一颗在其恒星和地球之间凌日的行星。这意味着科学家可以研究它的大小(从它减少其母星光线的数量)和它的大气组成(从它穿过大气层时星光与它相互作用的方式)[来源:欧空局]．

CAROT-9B位于恒星的可居住地带，但由于它是一个气态的世界，科学家们不认为它可能适合于生活。然而，它的大气层可能含有水，如此大的行星也可能有一个可居住的卫星[来源：欧空局]．

2010年9月下旬，美国的一组天文学家利用地面仪器的光谱数据宣布发现了一颗可能适合居住的行星，Gliese 581 g它围绕Gliese 581公转，距离地球只有20光年。这一消息引起了广泛的兴奋，因为这颗行星是在如此近的距离发现的地球在天文学家发现第一颗系外行星仅仅15年后。然而，在宣布之后不久，科学团体开始对这一发现提出质疑[来源：墙]．

研究人员已经在同一红矮星系中发现了其他行星的证据，其中两颗(格利泽581 d和Gliese 581 e)在可居住区的边缘环绕。那么，格利泽581的孩子中，哪一个会把王冠作为迄今为止找到的维持生命的最佳人选？这个问题太复杂了，不容易解决。从光谱角度探测行星需要降低观测数据中固有的噪音，然后确定使用哪些假设。同样的数据可以证明行星的数量不同，这取决于你假设的是偏心（高度椭圆）轨道还是近似圆形轨道。在撰写本文时，科学家们尚未达成共识。

2011年1月，开普勒任务确认发现了第一颗岩态行星，据估计其大小是地球的1.4倍。开普勒-10b位于宜居带之外，是迄今为止在太阳系外发现的最小的行星。

2011年2月，开普勒科学家宣布发现了五颗行星，每颗行星都在比太阳更小、更冷的恒星可居住区内运行。如果得到证实，这些行星将代表在可居住区内发现的第一颗地球大小的行星。同一个月，开普勒发现了六颗被证实绕类太阳恒星开普勒-11、2、0运行的行星距离地球100光年。这是迄今为止在地球外发现的围绕一颗恒星运行的最大的行星群太阳系【来源:国家航空和航天局]．

尽管这些发现意义重大，但重要的是要记住，开普勒迄今只搜索了已知宇宙的一小部分。很有可能在未来的几年里，科学家们将会有更惊人的发现——可能包括一颗类地行星，它是生物的家园。