近年來系外行星探測研究成果頗豐，在《終結(jié)地球孤獨(dú)時(shí)代》系列文章中李海寧老師已為大家介紹了三種系外行星探測的主要方法。1995年，瑞士天文學(xué)家梅耶（Michel Mayor）等人利用視向速度法監(jiān)測一顆“擺動(dòng)”的恒星，發(fā)現(xiàn)了第一顆圍繞類太陽恒星公轉(zhuǎn)的系外行星-飛馬座51b（參見：終結(jié)地球孤獨(dú)時(shí)代 | 熾熱的木星和擺動(dòng)的太陽），這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)在2019年榮膺諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。視向速度法在系外行星探測研究中應(yīng)用非常廣泛，通過這種方法目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)899顆系外行星（截止2021年11月26日） [1]。隨著天文望遠(yuǎn)鏡觀測精度的提高，目前尋找系外行星效率最高的凌星法異軍突起（參見：終結(jié)地球孤獨(dú)時(shí)代 | 行星捕手開普勒），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了3444顆系外行星（截止2021年11月26日）[1]。除了以上兩種間接探測方法外，隨著天文觀測技術(shù)的發(fā)展，成像技術(shù)的“黑科技”也逐漸應(yīng)用在系外行星探測當(dāng)中。大口徑望遠(yuǎn)鏡提高了暗弱目標(biāo)的探測能力，讓直接觀測系外行星成為可能（參見：終結(jié)地球孤獨(dú)時(shí)代 | 技術(shù)革新腦洞大開）。目前利用大口徑望遠(yuǎn)鏡直接觀測發(fā)現(xiàn)的系外行星共有54顆（截止2021年11月26日）。[1]
不同的探測方法針對不同大小及與主星不同相對位置的系外行星各具優(yōu)勢，也各有局限。例如凌星法只能發(fā)現(xiàn)主星周圍軌道存在掩食現(xiàn)象的行星，這些行星軌道傾角（公轉(zhuǎn)軌道法線傾角）較大，容易形成選擇效應(yīng)。想要尋找不存在周期性掩食的系外行星，就需要根據(jù)它們的特點(diǎn)采用合適的探測方法。下面我們來介紹其他幾種頗具特色的系外行星探測方法，它們發(fā)現(xiàn)行星數(shù)量雖然不多，但各懷絕技。
作為天文學(xué)發(fā)展最早的分支，天體測量學(xué)也很早就應(yīng)用于系外行星的探測，通過監(jiān)測系外行星引力作用造成主星的位置變化來尋找它們的存在。天體測量法不受限于行星的軌道傾角與軌道半徑，雖然探測效率較低，但可以用來尋找距離主星較遠(yuǎn)的系外行星，并精確測定這些長周期系外行星的軌道參數(shù)與質(zhì)量。目前正在運(yùn)行的蓋亞衛(wèi)星（Gaia mission）已經(jīng)釋放了大量高位置精度觀測數(shù)據(jù)，我們有機(jī)會(huì)從中發(fā)現(xiàn)更多長周期的類木行星和類太陽系行星系統(tǒng)[2]。
圖1. 左圖：天體測量法示意圖，右圖：蓋亞衛(wèi)星（圖源：ESA/ATG medialab）
前面我們提到了飛馬座51b這顆具有里程碑意義的系外行星，但它卻不是人類發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星。1992年，波蘭天文學(xué)家沃爾茲森（Aleksander Wolszczan）利用阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡（Arecibo radio telescope）監(jiān)測脈沖星PSR1257+12后發(fā)現(xiàn)，這顆脈沖星也存在周期性的“搖擺”，后續(xù)的觀測證明了這顆脈沖星的周圍有三顆行星，其中質(zhì)量最小的一顆僅為0.02倍地球質(zhì)量，在當(dāng)時(shí)引起了轟動(dòng)）[3]。這種監(jiān)測行星造成系統(tǒng)內(nèi)其他天體的軌道周期、脈動(dòng)周期，或者相對位置等物理特征周期性變化的方法叫做計(jì)時(shí)法，它同樣可以發(fā)現(xiàn)行星系統(tǒng)中其他未知的行星。在無垠宇宙中，像我們太陽這樣單獨(dú)的恒星并不是大多數(shù)，很多恒星都像《三體》中描繪的一樣，是以雙星或多星形式存在的，而雙星周圍也可能存在行星，但這類行星的軌道正如三體問題一樣復(fù)雜多變，難以探測。我們同樣可以利用計(jì)時(shí)法，探測行星對雙星繞轉(zhuǎn)周期的影響，發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡。
圖2. 第一顆系外行星PSR1257+12 b, c, d被發(fā)現(xiàn)后的新聞報(bào)導(dǎo)（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
圖3. PSR1257+12 b, c, d三顆行星藝術(shù)圖（圖源：NASA/JPL-Caltech）
在距離主星較遠(yuǎn)的位置，也可能存在一類“流浪”行星，它們引起主星視向速度的變化微乎其微，從地球角度來看，也難以觀測到掩食。但我們依然可以通過“碰運(yùn)氣”的微引力透鏡法去尋找它們的身影。根據(jù)廣義相對論，大質(zhì)量物體會(huì)造成附近時(shí)空的彎曲。行星雖沒有恒星或星系那樣巨大的質(zhì)量，但也能引起周圍小尺度時(shí)空的彎曲。流浪行星在宇宙中“漂泊”，當(dāng)它恰好從觀測者和遠(yuǎn)處的一顆恒星之間經(jīng)過時(shí)，由于這顆系外行星引起的微引力透鏡效應(yīng)，觀測者會(huì)發(fā)現(xiàn)這顆恒星的光隨著系外行星的經(jīng)過而呈現(xiàn)短暫變亮過程[4]。當(dāng)?shù)厍蛏系耐h(yuǎn)鏡觀測這顆恒星時(shí)恰好捕捉到被微引力透鏡偏折的星光，會(huì)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)星變亮。由于流浪行星的位置會(huì)不斷改變，因此增亮的過程一般不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)，是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的任務(wù)。目前通過微引力透鏡法發(fā)現(xiàn)的系外行星共120顆（截止2021年11月26日）[1]。
圖4. 行星與主星形成微引力透鏡的幾種情況：(a)前景恒星（紅）從遙遠(yuǎn)的背景恒星（黃）與觀測者之間經(jīng)過時(shí)，前景恒星偏折背景恒星的星光，觀測者可以看到背景恒星變亮；（b）前景恒星周圍存在距離較近的行星（棕）時(shí)，除了看到前景恒星引起的背景恒星增亮外，還可能看到行星引起的引力透鏡效應(yīng)產(chǎn)生的另一個(gè)“突起”；（c）前景恒星周圍的行星距離較遠(yuǎn)時(shí)，二者引起的背景恒星增亮很可能不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)（出現(xiàn)的時(shí)間可能相差數(shù)年），可能只看到其中一種，而前景恒星和行星引起的背景恒星增亮都能被觀測到的情況較為罕見（d）獨(dú)立的流浪行星也可能會(huì)造成背景恒星小幅度增亮[5]。
隨著人類探測技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的系外行星的探測方法、更高精度的探測設(shè)備和設(shè)計(jì)更加巧妙的探測計(jì)劃涌現(xiàn)?？茖W(xué)家們正借助這些方法和設(shè)備發(fā)現(xiàn)更多的系外行星及候選體，多個(gè)探測計(jì)劃也聚焦于系外行星自身及其大氣性質(zhì)的精細(xì)探測和研究，人類離發(fā)現(xiàn)下一個(gè)宜居家園又近了一步。更多精彩內(nèi)容，請繼續(xù)關(guān)注觀天者說！
參考文獻(xiàn)：
1. Gaia Collaboration. et. al., A&A, 2016, 595, A1.
2. https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/
3. Wolszczan, A., Frail, D. A. Nature, 1992, 355, 145
4. Mao, S., Paczynski, B., ApJL, 1991, 374, L37
5. Wambsganss, J., Nature, 2011, 473, 289.
主創(chuàng)簡介：王佳琪，中國科學(xué)院國家天文臺(tái)在讀博士生，主要從事太陽系外行星觀測與研究。
文稿撰寫：王佳琪
文稿編輯：趙宇豪
[ 責(zé)編：蔡琳 ]
