【博科園-科學科普】系外行星搜尋方法，來看一種奇特而獨特的方法——即引力微透鏡。
【博科園-科學科普】系外行星搜尋方法，來看一種奇特而獨特的方法——即引力微透鏡。
一個發(fā)光的紅色星系(LRG)的哈勃圖像，引力扭曲了一個遙遠的藍色星系的光。圖片版權(quán)：ESA/Hubble & NASA
在過去的十年里，對太陽系外行星的搜尋確實已經(jīng)升溫。由于技術(shù)和方法的改進，已經(jīng)觀測到的系外行星數(shù)量（截至2017年12月1日）已經(jīng)在2710個恒星系統(tǒng)中搜尋到3710個，其中621個系統(tǒng)擁有多個行星。不幸的是，由于天文學家們不得不面對各種各樣的限制，絕大多數(shù)都是用間接方法發(fā)現(xiàn)的。
一種較為常用的間接探測系外行星的方法被稱為引力微透鏡。從本質(zhì)上講，這種方法依賴于遙遠物體的引力來彎曲和聚焦來自恒星的光。當一顆行星經(jīng)過恒星的前面，相對于觀察者(即構(gòu)成一個軌道)時，光可以被測量，然后被用來確定行星的存在。
在這方面，引力微透鏡是引力透鏡的縮小版，在這里：一個中間物體（像一個星系團）被用來聚焦來自位于其之外的星系或其他物體的光線。在這個方法中，監(jiān)測恒星的亮度下降以表明系外行星的存在。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，引力使時空結(jié)構(gòu)彎曲。這種效應(yīng)會使物體的引力對光線產(chǎn)生扭曲或彎曲。它也可以作為透鏡，使光變得更集中，使遠處的物體(如恒星)看起來更明亮。只有當兩顆星幾乎完全對準觀察者(即位于另一個位置)的相對位置時，才會產(chǎn)生這種效應(yīng)。
這些“透鏡事件”是短暫的，但也是豐富的，因為我們星系中的地球和恒星總是相對的移動。在過去的十年中，有一千多個這樣的事件被觀察到，并且通常持續(xù)幾天或幾周。事實上：這一效應(yīng)被阿瑟·愛丁頓爵士在1919年使用，為廣義相對論提供了第一個驗證證據(jù)。
這發(fā)生在1919年5月29日的日食期間，愛丁頓和一個科學探險隊來到了位于西非海岸的普林西比島，拍攝了現(xiàn)在在太陽周圍地區(qū)可見的恒星的照片。這些照片證實了愛因斯坦的預測，即這些恒星的光線是如何在太陽的重力場作用下微微移動的。
這項技術(shù)最初是由天文學家Shude Mao和Bohdan Paczynski在1991年提出的，目的是為了尋找雙星的恒星。他們在1992年由安迪·古爾德和亞伯拉罕·勒布提出，作為探測系外行星的一種方法。這種方法在尋找行星向銀河系中心時是最有效的，因為銀河系的膨脹提供了大量的背景恒星。
引力微透鏡法優(yōu)點：
微透鏡是唯一一種能在離地球很遠的地方發(fā)現(xiàn)行星的已知方法，并且能夠找到最小的系外行星。而徑向速度法在尋找距離地球100光年的行星時是有效的，而傳輸光度法可以探測到數(shù)百光年之外的行星，而微透鏡則可以發(fā)現(xiàn)數(shù)千光年以外的行星。
雖然大多數(shù)其他方法都有對較小的行星的探測傾向，但微透鏡法是探測大約1 - 10個天文單位(AU)附近的行星的最敏感的方法。這使得它在與徑向速度和傳輸方法相結(jié)合時特別有效，這可以證實系外行星的存在，也能準確估計行星的半徑和質(zhì)量。
綜上所述，這些優(yōu)點使得微透鏡成為尋找類地行星的最有效方法(單獨或與其他方法相結(jié)合)。此外微透鏡測量可以有效地安裝在地面設(shè)施上。像傳輸光度法一樣，微透鏡法的好處在于它可以用來同時測量成千上萬顆恒星。
引力微透鏡法缺點：
因為微透鏡事件是獨一無二的，不需要重復，任何使用這種方法探測到的行星都將不再被觀測到。此外，那些被發(fā)現(xiàn)的行星往往是非常遠的，這使得后續(xù)調(diào)查再觀察幾乎是不可能的。這使得微透鏡成為一種檢測系外行星候選者的好方法，但是對于確認候選者來說，這是一種非常糟糕的手段。
微透鏡的另一個問題是，當對行星的特性施加限制時，它會有相當大的誤差。例如：微透鏡測量只能對行星的距離產(chǎn)生粗略的估計，因此誤差很大。這意味著距離地球幾萬光年的行星會產(chǎn)生距離估計幾千光年的距離。
微透鏡也無法對行星的大小做出準確的估計，而質(zhì)量估計則受制于松散的約束條件。軌道性質(zhì)也很難確定，因為唯一可以直接用這種方法確定的軌道特征是行星的當前半主軸。因此，行星的偏心軌道只能探測到它的一小部分軌道(當它離恒星很遠的時候)。
由于行星間質(zhì)量比的結(jié)果，引力微透鏡效應(yīng)增加，這意味著最容易探測到低質(zhì)量恒星周圍的行星。這使得微透鏡在尋找低質(zhì)量、m型(紅矮星)恒星周圍的巖石行星上起著有效的作用，但它卻限制了大質(zhì)量恒星的有效性。最后，微透鏡依賴于罕見的隨機事件——一顆恒星恰好在另一顆恒星前面，就像從地球上看到的那樣——這使得探測變得既罕見又不可預測。
引力微透鏡觀測例子：
依賴于微透鏡方法的調(diào)查包括華沙大學的光學引力透鏡實驗(OGLE)。這個國際項目由該大學天文觀測站的主任Andrzej Udalski領(lǐng)導，在智利的Las Campanas使用1.3米的“華沙”望遠鏡，在銀河系周圍的100顆恒星周圍尋找微透鏡事件。
華沙大學的天文臺，用于進行OGLE項目。圖片版權(quán)：ogle.astrouw.edu.pl
此外新西蘭和日本的研究人員之間進行的一項合作研究發(fā)現(xiàn)，在天體物理學(MOA)組中也有微透鏡效應(yīng)。由名古屋大學的Yasushi Muraki教授領(lǐng)導，該小組使用微透鏡法對暗物質(zhì)、外太陽系行星和南半球的恒星大氣進行觀測。
然后是探測透鏡異常網(wǎng)絡(luò)(行星)，它由分布在南半球的5個1米望遠鏡組成。在與RoboNet的合作中，這個項目能夠提供近連續(xù)的觀察，以觀察由與地球的質(zhì)量一樣低的行星所引起的微透鏡事件。
要了解更多信息，請查閱美國宇航局關(guān)于太陽系外行星探索的網(wǎng)頁，行星協(xié)會的太陽系外行星頁面，以及美國宇航局/加州理工學院的系外行星檔案。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：NASA – 5 Ways to Find a Planet
Planetary Society – Microlensing
Wikipedia – Methods of Detecting Exoplanets
作者：Matt Williams
