天文学家宣布找到一颗能直接成像的系外行星

天文学家宣布找到一颗能直接成像的系外行星

在宇宙中的所有恒星中，在宇宙中所有的恒星中，最接近太阳系的恒星是比邻星：一颗距离地球仅4.2光年的红矮星。这颗恒星比我们的太阳更小、更暗、更微弱。尽管观察这颗恒星已有一个多世纪的时间，但还没有观测到任何凌日现象，即中间的行星周期性地阻挡母恒星的一部分光线。

图注：该插图显示了一个超地球的世界，围绕着一颗比我们自己的恒星更红更暗的恒星运行。如果比邻c是真实的并且具有我们目前所推断的特性，它将成为被直接成像的最小和最接近的我们系外行星。

但这并不意味着没有行星绕着它运行;它只是意味着我们需要使用不同的技术来找到它们。2016年，科学家宣布发现比邻b，这是一颗1.3个地球质量的行星，每11天围绕比邻星旋转一次。在四年的数据之后，一个新的团队宣布了第二颗行星，比邻c，重约6个地球质量，大约需要5年才能完成一个轨道。这是第一个在我们附近发现的超级地球，可能成为第一个被直接成像的超级地球。

图注：此图显示了超冷矮星TRAPPIST-1在2016年9月和10月的20天内亮度的变化，由美国宇航局的斯皮策太空望远镜和地面上的许多其他望远镜测量。在许多情况下，恒星的亮度会在短时间内下降，然后恢复正常。这些事件，称为过境，是由于一颗或多颗恒星在恒星前面经过并阻挡了它的一些光线。

我们所知道的宇宙中的每一颗恒星都有一些性质，这些性质在时间上大致是恒定的。所有恒星的亮度都有变化，但变化很小；大多数恒星的平均亮度是均匀的。然而，当一颗行星或其他物体相对于我们的视线在恒星前面经过时，该行星会暂时阻挡恒星光的一小部分，导致恒星以规则、定期的方式以特定量变暗。

不幸的是，大多数行星并不象我们的观点那样偶然地对齐在一起，而比邻星的行星也不例外。我们没有观察到来比邻星的行星过境。但是，尽管这是我们在其他恒星周围发现行星的最成功的方法，例如美国宇航局的开普勒和TESS任务，但还有另一种更为普遍的方法，有可能发现和表征系外行星，无论它们是否过境：恒星摆动法。

图注：当一颗行星围绕其母星运行时，恒星和行星都将围绕其共同的质量中心在椭圆中运行。沿着我们的视线，恒星将以摆动的方式移动：朝我们移动（并调整其浅蓝色移位），然后它远离我们（并看到相应的红移）。1995年，这种方法使我们获得了第一颗环绕太阳类恒星的系外行星。

当每颗行星围绕其母恒星运行时，恒星的引力将行星拉入椭圆轨道，施加引力，导致行星的运动随时间而改变。但是对于每一个动作，都有一个相等和相反的反应，所以行星也会牵引恒星，导致它改变其运动响应。当行星围绕它们的母星运行时，恒星的运动会发生摆动，而沿着我们视线的运动（即恒星的径向速度）会因每个行星的质量和轨道周期而变化。

你不能直接观察恒星的运动，但你可以通过观察它随时间变化的光谱线来推断它。每颗恒星都包含光谱线，它们对应于恒星最外层中的元素：吸收线的频率是元素被恒星的光激发的频率，发射线是电子在原子中失去激发，导致自身光的发射。随着恒星运动的变化，光谱线红移和蓝移可探测到的重要数量。

图注：宇宙中的每一个元素都有自己独特的原子跃迁集合，这是允许的，对应于一组特定的谱线。我们可以在恒星的光谱中观察到这些线，这些线是如何随时间变化的，这可以给我们一个指示由绕轨道运行的行星引起的诱发径向速度。

因为我们只能测量光谱线位移的大小，所以我们必须用它来推断行星的质量和周期，而不知道轨道相对于视线是如何倾斜的。我们可以得到这一时期的良好数据，但我们只能推断出这颗行星的最小质量（一个下限）；我们无法确定它是否更大，相对于我们的视线是否倾斜得更严重。

2016年，比邻星的光谱线数据，在那个点上延伸了十多年，已经足够科学家提取一个小的系外行星信号，对应于一个1.3地球质量的行星，周期只有11天：比邻b。比邻c 最初于 2019 年 4 月初步宣布，但现在有足够的证据在主要期刊上发表，在 5.8 地球质量下，比邻c尺度更大，但轨道周期为 5.2 年。来自两个独立的ESO望远镜仪器——高精度径向速度行星搜索器（HARPS）和紫外-可见分光光度计（UVES）——的数据现已合并，所有迹象都表明存在第二个超地球尺寸星球。

图注：一部分数字化的天空勘测，与我们的太阳最近的恒星比邻星，在中心以红色显示。这是离地球最近的恒星，距离地球只有4.2光年。

比邻星本身是一个有趣的恒星，它与我们太阳不同。以太阳系的标准来看，它非常小、昏暗、微弱，只有：

太阳半径的15%，太阳质量的12%，太阳总光度的0.17%，太阳视觉亮度的0.005%（大部分光线是红外线），

它们都是小质量恒星的典型代表。比邻星也显示出非常大且频繁的恒星耀斑，是三星系统中最小的成员，也包含比邻b和c。超大或太远的行星已经被被各种测量方法排除，也于我们对引力的理解不相吻合。

图注：外行星比邻 b，如插图所示，由于其恒星的大气剥离行为，被认为不适合生命。这应该是一个"眼球"世界，一边总是被太阳烤，另一边总是保持冻结。

当比邻b被发现时，它引发了一场猜测的风暴，认为它是一颗岩石表面恒星，且位于可宜居带上，温度类似于我们自己的行星地球。立刻，人们开始猜测表面上有液态水的存在，一种可能的类地大气，甚至认为这个行星上有可能存在生命。

不幸的是，这些推测肯定过于乐观。比邻b距离比邻星仅750万公里的距离——仅为地球太阳距离的5%——任何一个稀薄的、类似地球的大气层，早在比邻星的耀斑附近就已经被剥离掉了。没有大气，就没有液态水，潮汐力会把比邻b的一个面锁定在它的母星上。白天的一面总是烘烤，夜晚的一面却永远冻结，可见比邻b是完全不适合居住的。

图注：红矮星系统中的所有内行星都将被潮汐锁定，一边总是朝向恒星，另一边总是朝外，但在昼夜之间有一个潜在的类地可居住性环（假设大气条件合适）。比邻b太接近恒星，没有大气，但 比邻 c 具有更大的距离和质量，实际上可以保证有非常厚的大气。

因为它不过境它的母星，但轨道如此接近它，我们在可预见的未来成像比邻b的前景也非常黯淡。然而，如果这颗行星比它的母星更大和更远，下一代望远镜——配备日冕仪甚至星罩——有可能阻挡来自比邻星的光，并直接拍摄这颗系外行星本身的图像。

到目前为止，我们只直接成像质量至少是地球数百倍的行星，这些行星的旋转范围远远超出了太阳系中的火星轨道：最大、最分离的行星。这是一个壮观的成就，我们已经能够直接成像行星，但要改善我们目前的限制将需要远远超过现有的今天的技术。

图注：在这个比邻星系统的图解中，被称为比邻B的轨道小，该行星大气稀薄，被潮汐锁定，表面为岩石，而比邻c的大气厚是由冷的氢气和氦气组成。

然而，这正是未来的天文台，如詹姆斯韦伯太空望远镜和未来的30米级望远镜，如GMTO和ELT承诺提供的：观察超级地球的能力，在太空中这些超级地球与它们的母星有足够的距离。

如果比邻c行星被证实是真实的，那么它的最大分离将在其最远的距离比邻星附近大约1弧秒（1/3600度），这在这些下一代观测站的能力范围内直接发现。这个星球的轨道属性只需要1.5个天文单位（大约2亿2000万公里），远离比邻星，远比任何以前被直接成像过的行星都要近得多。

图注：已知有四颗系外行星围绕着HR 8799恒星运行，它们的质量都比木星大。这些行星都是通过七年内的直接成像探测到的。

它也有保证，它的最小质量是5.8个地球，其类似火星，距离比邻星1.5个天文单位，是一个寒冷，浮肿的世界，类似于一个小型版本的海王星。虽然对这样一个世界的通用术语是“超级地球”，但我们可以确信，它根本不会是一个类球行星，它周围有一个巨大的氢和氦包层，这个包层占这个行星的大部分质量和体积。

假设直接成像比邻c的努力最终成功，这颗外行星将立即成为在轨道上有史以来看到的最小的一颗行星，并最接近其恒星。这是第一次，我们可以看到一个外行星的图像，它差不多跟地球一般大小，这是以前从未实现过的。虽然盖亚任务的未来数据可以证实这颗行星并确定其质量，但这十年晚些时候上线的地面和天基观测站，提供了实际拍摄这颗行星的潜力。

图注：早在20世纪20年代，星影概念就可以实现直接的系外行星成像，而ELT和GMTO上的日冕仪将使我们更快地到达那里。这张概念图展示了一台使用星光的望远镜，它使我们能够成像环绕恒星运行的行星，同时阻挡恒星的光线，使其超过100亿分之一。

就在几年前，没有人知道离我们最近的恒星是否拥有行星，或者它们是否因为某种原因阻止我们观察到它们。由于我们已经建立了更大更好的数据套件，由高级仪器和天文台探测到在我们最近的恒星比邻星附近，存在两颗行星。

第一个是比邻b，在大小和温度上像地球一样，但像水星一样贫瘠，它不太可能在短期内泄露秘密。但是，在火星的距离和大约六倍于地球质量的比邻 c，可能成为第一颗能直接成像且非常靠近恒星的小的行星。