|作者：賙濟林† 劉慧根 謝基偉
(南京大學天文與空間科學學院)
本文選自《物理》2021年第3期
摘要 系外行星尤其是宜居行星的搜尋與刻畫，是天文學研究的熱點前沿問題。尋找另一個地球，是回答“生命如何起源？”，“人類是否孤獨？”等重大科學問題的關鍵。文章結合理論和觀測，對現有的行星形成演化理論和系外行星探測方法做了簡要介紹，並說明現有的探測技術很難探測到“另一個地球”。此外，主流的探測方法，如視向速度法、凌星法，都是透過恆星變化探測行星，屬於間接探測。未來的系外行星刻畫需要直接獲取來自行星的光子，因此直接成像是未來系外行星探測的趨勢。合成孔徑光干涉成像法可以同時實現高對比度和高空間解析度，未來可用於對“另一個地球”的直接成像。中國提出的“覓音”計劃，有望首次實現系外行星的光干涉成像，在尋找“另一個地球”上取得重大突破。
關鍵詞 系外行星，宜居帶，直接成像，光干涉
兩位瑞士科學家 Michel Mayor 和 Didier Queloz 因在1995年發現首個圍繞類太陽恆星運動的行星，而分享了2019年的諾貝爾物理學獎。太陽系外行星(簡稱系外行星)的發現，使人類向認識自身起源及在宇宙中的地位邁出了重要的一步。
在地球近46億年的演化歷史中，最早的地球生命證據是大約35億年前的微生物。“地球上的生命是如何產生的？”，“宇宙中是否還存在其他有生命的星球？”等問題一直是科學家們的重大關切。美國《科學》雜誌在建刊125週年時提出了125個最具挑戰性的科學問題，其中第11個問題是“地球生命在宇宙中是否獨一無二?”[1]。該問題也是美國航空航天局在2013年制定的未來30年天體物理路線圖致力解決的第一大問題。
要回答地球上的生命在宇宙中是否唯一，首先要了解像地球這樣適宜生命生存的類地行星在宇宙中是否還存在？從20世紀末開始，天文學家開始了系外行星探索之旅。經過四分之一世紀的努力，人類對系外行星的認識有了飛躍。
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行星是普遍存在的
說到行星，必須瞭解行星是從哪裡來的。根據現代行星形成理論，行星孕育在恆星早期分子云坍縮形成的原行星盤[2]。由於角動量守恆，坍縮中的原恆星將不可避免地在其赤道附近形成原行星盤。由於向主星吸積以及盤的粘滯發熱主要在紅外波段，透過紅外望遠鏡，例如美國的空間紅外望遠鏡Spitzer，可以觀測到恆星光譜中由原行星盤產生的紅外超現象。原行星盤的物質大致可以分成兩類：氣體(氫氦氣體分子)和重元素物質(氫氦分子之外的所有物質)。根據太陽大氣成分分析，形成太陽系的原始星雲中氣體和重元素物質之比大約為100:1。觀測表明，原行星盤的質量範圍大約為主星質量的0.1%—10%，中值在1%左右[3]。
行星形成主要經歷4個過程[4]：
(1)重元素塵埃物質透過分子間作用力和引力不穩定性吸附生長到釐米級顆粒，經過沖流不穩定性(streaming instability)、渦旋、雪球生長[5]等機制跨過米級障礙，在1萬年的時間尺度內，在原行星盤中間層形成千米級別(1015—1019kg)的星子；
(2)星子相互碰撞，透過雪崩(runaway)和寡頭(oligarchic)生長等過程，在1—10萬年之間成長到水星到火星量級(1023—1024kg)的行星胚胎；
(3)當胚胎質量大於某一臨界質量(約10個地球質量)，在引力作用下經過數百萬年時間的準靜態氣體吸積後，氣體快速雪崩吸積，形成數百地球質量大小的氣態巨行星；
(4)在主星的光致蒸發、星風等過程的作用下，原行星盤在約3百萬—1千萬年內消失，殘餘的行星胚胎經過相互之間的巨型碰撞併合，在1千萬—1億年間形成類地行星(1024—1025kg)。
據觀測統計，原行星盤的大小可以到幾十至上百個天文單位(AU，日地平均距離，1 AU = 1.5×108 km)。如此大的範圍使一個原行星盤足可以形成多個行星，例如太陽系就至少形成八個大行星。行星形成後在原行星盤或殘餘星子盤的作用下，行星會發生大尺度的遷移。根據大回轉(grand tack)和尼斯(Nice)模型，歷史上太陽系大行星發生過兩次比較大的遷移。大遷移會對太陽系大行星軌道結構、物質分佈產生重要影響(圖1)，可能導致行星進入軌道共振，或被散射出系統，形成遊蕩的行星。
圖1 行星遷移對太陽系內物質分佈會產生影響[6]。木星形成後經過向內和向外兩次大遷移，帶動太陽系大行星軌道發生變化以及太陽系物質的混合
除了遷移、散射這些短時間不穩定性，行星系統在相互引力攝動下軌道將發生長期動力學不穩定，特別是軌道偏心率的增加[7]。例如，太陽系八個大行星的運動是混沌的[8]。此外，由於恆星是有壽命的，行星系統最終的形態可能與其長期存在的階段會大不相同。例如太陽的壽命在100億年左右，目前處於50億年的青壯年。再過50億年左右，太陽內部的氫燃燒完了，太陽將坍縮後膨脹，丟擲近一半的質量，自身演化成白矮星，膨脹氣體將吞噬地球以內軌道，導致地球不再宜居。因此，尋找另外一個地球是必要的。
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探測系外行星之困難與歷程
從上述行星形成理論看，伴隨著每個中小質量恆星的形成，行星的形成是普遍的，並且在相當長的恆星壽命中，行星系統是相對穩定的。那麼，為什麼直到20世紀末，人類觀測到的行星僅僅侷限在太陽系呢？原因主要有兩點。
一是相比恆星，行星的溫度要低得多，自身熱輻射非常小。以太陽系為例，木星溫度約為 200 K，而太陽表面溫度為 5800 K，根據Stefan—Boltzmann定律，F = σT4，單位面積的輻射流量，木星是太陽的1.4×10-6，再考慮木星半徑是太陽半徑的約1/10，放在離地球相同的距離上，望遠鏡接收到的木星熱輻射光度是太陽的約1億分之一。如果考慮觀測太陽—地球系統，地球半徑約是太陽的1/100，因此望遠鏡接收到來自地球的熱輻射光度只有太陽的1百億分之一，亮度十分微弱。
二是行星不僅暗，從遠處看它們與宿主恆星的張角太小。離我們最近的恆星——比鄰星，距離太陽系4.2光年(1光年=9.46×1012 km=6.3×104 AU)，其最近發現的一顆行星Proxima b，距離主星 0.0485 AU，兩者之間的角距離約為0.04角秒，這相當於 2 m 旗杆在 10000 km 的張角。要探測到來自Proximab自身光子(直接探測)，可以類比為從南京看北京(1000 km)奧運會火炬旁 0.2 m 處一隻亮度為火炬千萬分之一的螢火蟲。因此目前為止，即使對太陽系近鄰恆星的系外行星進行直接探測都是非常困難的。
鑑於直接探測的困難，科學家試圖從系外行星對主星的影響上來推斷系外行星的存在，也即間接探測。由於行星的存在，宿主恆星將圍繞恆星與行星的公共質心做週期運動，假定行星在圓軌道上運動，恆星的視向速度振幅為：
K = μ(2πr/P) ，
其中r為行星軌道長徑，μ為恆星行星質量比，P為行星公轉週期。以太陽系為例，木星引起的太陽視向速度振幅為 12.7 m/s，地球引起的太陽視向速度振幅僅 0.09 m/s。
透過觀測恆星的特徵譜線的多普勒頻移(圖2)，當恆星遠離觀測者時光波被拉伸，波長變長或頻率變低，稱為紅移；恆星靠近觀測者時光波被壓縮，波長變短頻率變高，發生藍移。該變化的週期也就是行星運動的週期，透過振幅可以得到行星的最小質量(Msini，i為視線方向與軌道面法向的夾角)。這種方法被稱為視向速度方法。
圖2 視向速度法探測系外行星的原理(圖片來源於歐洲南方天文臺)
Mayor和Queloz在1995年正是利用視向速度法探測到了圍繞飛馬座51的行星(稱為飛馬座51b)[9]。該系統離太陽系約50光年。飛馬座51b非常奇特，質量雖和木星相當，但與恆星的距離只有木星與太陽距離的百分之一，以至於4.2天就能繞恆星公轉一圈，環境溫度高達1000多度，因此被稱為熱木星，太陽系是不存在這類行星的。熱木星飛馬座51b的發現顛覆了人類對行星系統的認識，開啟了系外行星研究的新時代。
視向速度方法是目前最常用的系外行星間接探測方法，原理是恆星與行星在萬有引力作用下，共同圍繞質心運動，恆星在視線方向上展現出週期性運動特徵，透過探測恆星的多普勒頻移效應，可以探測到行星的存在。但恆星多普勒頻移的振幅小到一定範圍以下(1 m/s以下)，恆星自身的震動會掩蓋行星運動引起的平移，這也限制了目前視向速度方法的探測極限。由於 1 AU 處的類地行星對於太陽質量的主星引起的振幅為 0.1 m/s，視向速度方法很難探測類太陽的宜居帶(1AU附近)行星。同時，由於需要對單個恆星長期觀測，效率比較低，特別是週期在10年以上的長週期行星。到2020年6月為止，國際上視向速度方法共探測到820顆系外行星。
探測系外行星的間接方法還有凌星法(Transit)、微引力透鏡法、脈衝星計時法等，其中效率最高、目前取得成果最多的是凌星法。凌星是指行星在視線方向上穿過恆星表面而遮住了部分恆星光的現象。因為行星相對恆星發光黯淡，行星擋住部分恆星時，星光會比平時暗一些。透過恆星亮度的變暗程度可以間接推斷行星的相對大小。如圖3所示，行星越大，能遮住的恆星面積越大。比如地球半徑是太陽半徑的百分之一，那麼地球能遮住太陽萬分之一的面積，外星人在地球凌日時就會發現太陽光比平時下降了萬分之一。地面的望遠鏡只能看到類木行星凌星，地球大小的系外行星凌星要靠空間望遠鏡。美國國家航空航天局的開普勒太空望遠鏡是凌星法探測系外行星的成功典範，2009年發射後開始凝視天鵝座附近的區域，到2018年退役時，共發現了近3000顆系外行星和另外3000多顆發生凌星現象的疑似行星，重要的發現包括第一個有多個系外行星的系統(Kepler-9系統)，第一個最像地球的巖質行星(Kepler-10b)，第一個環境溫度允許液態水存在的宜居帶行星(Kepler-22b)，等等。這些系外行星改變了人類對世界的認識，使人類意識到行星是普遍存在的，而且千姿百態多種多樣。
圖3 凌星現象示意圖(圖片來源於維基百科)
我國的系外行星研究雖然起步晚，但是近些年發展迅速，研究隊伍也不斷壯大，國內很多高校和天文機構都開始涉足系外行星的研究，包括中國科學院國家天文臺、南京大學、中國科學院紫金山天文臺、中國科學院雲南天文臺、北京大學、清華大學、中山大學、山東大學、中國科學院南京天文光學技術研究所和極地研究中心等。其中國家天文臺利用北京 2.16 m 望遠鏡發現了圍繞一顆紅巨星的系外行星HD173416b和多顆褐矮星[10]。南京大學系外行星團隊透過分析南極2016年的觀測資料，發現了100多個系外行星候選體[11]；對Kepler太空望遠鏡的資料進行動力學分析，確認了幾十顆系外行星[12,13]。此外，南京大學還將在四川稻城建造“南京大學時域天文陣列(TIDY)”，主要用於系外行星搜尋，觀測裝置包括6臺望遠鏡：1臺口徑 1 m、3臺口徑 30 cm、1臺口徑 18 cm 的大視場望遠鏡以及1臺口徑 30 cm 的小視場後隨觀測望遠鏡。TIDY單次觀測可覆蓋336平方度的天區，預計對亮於12等的恆星達到千分之一左右的測光精度，有能力探測到類木行星和類海王行星。
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系外行星統計特性
我們熟悉的太陽系行星系統，有以下特點：
共面性：以黃道面作為太陽系的基準平面，太陽系八大行星和黃道面具有很好的共面性(其中夾角最大的水星也只有7度左右)。
近圓性：太陽系八大行星大多位於近圓軌道上，除了水星偏心率大於0.1，其餘行星的偏心率都小於0.1。
圖4 目前發現的行星系統週期和質量的分佈圖，圖中標出了不同型別的行星，其中熱木星、熱海星和超級地球都是太陽系中沒有的行星型別(圖片來自NASA Exoplanet Archive)
透過地面和開普勒空間望遠鏡等的探測，目前人類已經發現的系外行星有4000多顆，這些行星的發現，大大拓展了人類對行星的認知，如圖4所示，人類發現了三類太陽系沒有的新行星：
(1)熱木星：在距離一些質量較大主星非常近的地方(幾天的軌道週期)，可能會有木星質量大小的氣態巨行星，由於其溫度比較高(2000—3000 K)，因此被稱為熱木星，例如首顆被發現的行星飛馬座51b。在行星系統中，熱木星比例大約佔0.5%。由於在恆星附近溫度高，氣體不容易凝聚，一般認為它們是在遠處(雪線以外)形成後透過原恆星盤向內遷移或者透過散射等形成高偏心率軌道，在潮汐阻尼作用下停留在現有軌道[14]；
(2)熱海星，若在靠近主星的地方存在的是海王星大小的行星，則稱為熱海星。我國學者利用LAMOST望遠鏡的光譜資料發現熱海星與熱木星類似，有兩個重要的共同特徵，即它們的宿主恆星的金屬丰度都很高，且它們附近很少有其他行星共存。這些共同特徵預示熱海星和熱木星的起源可能有密切聯絡[15]；
(3)超級地球：透過Kepler望遠鏡觀測，發現了一批質量在1—10倍地球質量(或者行星半徑在1—2倍地球半徑)的行星，根據行星形成理論，這些行星很可能是巖質行星，被統稱為超級地球。
圖5 Kepler衛星觀測到的多行星系統與太陽系各類天體的軌道偏心率e和傾角i都符合 e = (1—2)×i 的規律[16]
目前發現的系統中，有相當比例的行星系統是多行星系統，最多的有8顆行星。如TRARPIST-1系統，主星是一顆溫度只有 2550 K 的紅矮星，其附近有7顆行星，組成一個“葫蘆娃”行星系統。對於多行星系統，人們很關心它們與太陽系是否有類似的軌道構型，例如軌道是否近圓、軌道共面性等。我國學者透過LAMOST望遠鏡的資料，統計研究了700多個Kepler行星的軌道偏心率分佈，發現大多數(~80%)Kepler行星系統為近圓和共面的，且和太陽系內行星的軌道偏心率和傾角符合一個共同的線性關係[16](圖5)。這些結果表明太陽系軌道構型在宇宙中並非是獨特的。
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未來目標——宜居行星搜尋
圖6 恆星周圍的宜居帶位置隨主星溫度的變化(圖片來自NASA)
隨著系外行星的不斷髮現，是否存在另外一個地球——“宜居行星”是近年系外行星科學家最感興趣的課題之一，尤其是類太陽恆星周圍的宜居帶行星。適宜人類生存的行星需要有陸地和液態水，這要求行星表面處於合適的溫度。在恆星的輻射下，行星表面溫度主要取決於行星與恆星的距離。行星系統中與恆星距離適宜、溫度能使水以液態形式存在的區域稱為宜居帶。根據Kopparapu等人2013年的定義，太陽系的宜居帶從地球軌道內側延展到火星軌道外側。如圖6所示，綠色區域為宜居帶。宜居帶以外的區域因為離恆星太遠而變冷，宜居帶以內靠近恆星的區域又太熱。宜居帶距離主星的距離隨主星變化，主星亮度越大，宜居帶越靠外。宜居帶是行星宜居的必要條件之一，只有行星位於宜居帶內，才更合適生命產生和維持。行星的宜居性還有其他必要條件，例如：行星磁場保護行星上的生命免遭高能粒子的輻射，合適的行星大氣促進行星物質、能量迴圈等。探測太陽系附近的宜居行星對研究生命起源等有重要意義，已經成為系外行星探測的主旋律，目前已經探測到十餘顆位於宜居帶內的類地行星(表1)。
表1 目前已經發現的位於宜居帶的部分類地行星(資料來源於維基百科)：即質量小於6倍地球質量，半徑小於1.6倍地球半徑，且位於主星宜居帶內的行星(包括地球)
對於類太陽恆星，宜居帶範圍為 0.99—1.7 AU，如果恆星距離我們 10 pc(秒差距，1 pc = 3.26光年)，觀測所需的角解析度至少是0.05角秒，如果採用傳統光學望遠鏡，需要口徑≥3m的空間望遠鏡，才可能分辨行星與恆星。如果主星是溫度較低的紅矮星，宜居帶還將更靠近主星，需要的望遠鏡口徑更大。此外行星與恆星的亮度差異巨大，可見光波段太陽和地球的對比度達到2×109，即使是地球輻射最強的中紅外波段(10 μm)，其對比度也會達到107左右(圖7)。因此傳統望遠鏡很難對系外行星進行直接成像。無論國外還是國內，探測宜居帶行星都是一大挑戰。國際上目前僅透過視向速度法，利用專用的系外行星搜尋望遠鏡如HARPS等，探測到了如比鄰星周圍的宜居帶類地行星Proxima b。我國缺乏專用的系外探測望遠鏡，在宜居帶行星探測上還處於起步階段。
圖7 太陽與地球、木星、天王星在不同波段的對比度
利用直接成像法搜尋宜居帶行星，需要克服三大困難，即高解析度、高對比度、高靈敏度。其中，高解析度探測是未來天文發展的趨勢，實現高對比度下的弱光成像(可見光波段5×10-10的對比度下，暗於31等的行星成像)也是實現宜居帶行星探測的關鍵技術之一。目前國際上提出的未來大型望遠鏡(如TMT，ELT等)，都將宜居帶行星成像列為其科學目標。目前直接成像有兩種主要實現途徑：一是採用傳統的星冕儀技術，二是干涉成像技術。
傳統的星冕儀技術是利用星冕儀遮擋恆星的光，降低對比度，實現系外行星的成像。國外目前在光學波段實際觀測可以實現約10-6對比度的成像，用於對近鄰木星大小的行星直接成像，已經發現了10餘顆距離主星較遠的行星(圖8)。Caltech等實驗室在實驗室內實現了10-9對比度成像，但距離實際天文應用還有距離。星冕儀技術主要用於大型望遠鏡，解析度受限於望遠鏡口徑。未來的系外行星探測空間望遠鏡已經提高到 15 m 口徑的級別，如美國正在規劃的LUVOIR望遠鏡。
我國在星冕儀研究上採取國際合作的形式，南京天文光學技術研究所團隊與美國加州州立大學合作研發，研製出的Ex-AO系統，以客座儀器的形式用於歐洲南方天文臺的 3.6 m 口徑望遠鏡，實測成像對比度達到10-5，具備開展系外行星(類木行星)成像的能力。但星冕儀探測系外行星要求望遠鏡有較高解析度，即較大口徑，國內缺乏大口徑(大於 4 m)望遠鏡，因此後續研究、實驗都依賴國外大型望遠鏡時間的申請，或者有償使用國際望遠鏡時間等方式獲取。目前該團隊利用Ex-AO對已經發現的系外行星進行了實驗驗證，尚未獨立發現系外行星。未來空間站 2 m 望遠鏡上已經佈置了直接成像的星冕儀。
圖8 星冕儀直接成像法探測到的系外行星，黑色實心代表行星，行星右下角數字代表行星質量(以木星質量為單位)。注：HR 8799還發現了第四顆行星e，距離主星約100 AU
干涉成像法利用不同望遠鏡收集同一恆星的光進行干涉，降低恆星—行星的對比度，同時透過拉長基線獲得遠高於望遠鏡口徑的高解析度，來獲得行星光子。從20世紀90年代開始，世界上幾個最大的望遠鏡專案都考慮了多個望遠鏡利用光學/紅外波段進行干涉，取得高解析度圖片的方案。其中凱克天文臺(Keck)兩個 10 m 望遠鏡的干涉儀未能成功，大型雙筒望遠鏡干涉儀(LBT)歷經磨難才投入科學使用，效能並未達到預期目標，而甚大望遠鏡(VLTI)作為目前最成功的地面干涉望遠鏡陣列(4個 8 m 級望遠鏡)，終於在2017年開始使用到GRAVITY儀器上，在近紅外波段(2.0—2.4 μm)，進行了成功的高解析度觀測，在天文領域取得了豐碩的科學成果，如銀河系中心超大黑洞周圍恆星非常接近最後穩定圓軌道的超精確觀測測量，獵戶座大星雲內大質量恆星形成區中大質量年輕恆星雙星比例的精確測量，恆星微引力透鏡成像的首次分辨觀測等。但地面望遠鏡受大氣影響，光子相干時間很短，地面僅能對非常亮的天體進行干涉成像。目前地面的干涉法成像裝置大多無法探測暗於11等的天體。
圖9 高解析度成像(0.01″)在不同距離尺度上，對應的空間解析度和可以研究的天文目標
目前世界上還沒有任何空間干涉的天文望遠鏡在執行，美國提出的SIM、TPF等計劃因為JWST嚴重超出預算，都未能實施。去年，在美國提到的天體物理未來30年規劃中，又重新提到了光學干涉，計劃在2038年左右開始實施干涉成像探測系外行星專案。我國也結合宜居行星探測的重大科學需求，提出了“覓音”計劃，以光干涉實現高對比度下的闇弱目標干涉成像，具備極高的空間解析度，比美國 6.5 m 的空間望遠鏡JWST還要高1個量級，可以實現對近鄰恆星周圍的宜居帶類地行星進行直接成像。不僅可以在國際上首次發現另一個“地球”，還可以對太陽系天體進行系統的反射光譜巡天，揭示水的分佈。此外，“覓音”計劃的高空間解析度特徵(圖9)，還有助於揭示宇宙各層次天體的演化規律，在兩暗(暗物質、暗能量)、一黑(黑洞)、三起源(宇宙起源、天體起源、生命起源)等重大天文前沿領域發揮重要作用。透過“覓音”計劃的實施，期望能率先實現高對比度下的闇弱目標的干涉成像，首次透過干涉成像法探測到另一個“地球”，彰顯我國空間科學強國地位。
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未來的征程
系外行星是天文學研究的熱點，“另一個地球”的搜尋則如同皇冠上的明珠。覓音計劃的實施結合“人類在宇宙中是否孤獨？”，“生命如何產生？”等重大科學關切，以搜尋“另一個地球”為目標，透過空間合成孔徑望遠鏡陣列干涉成像等新手段，獲得超越傳統望遠鏡的觀測能力，可能獲得人類首張宜居帶行星的照片，真正看到“另一個地球”，有望在天文領域獲得重大科學突破，取得廣泛的國際影響，彰顯我國空間科學強國的科研實力。此外，推動我國大型的空間天文望遠鏡專案，在實施過程中的一系列關鍵技術攻關和技術積累，掌握自主可控的空間技術，也是我國邁向空間強國的必經之路。
回顧人類發展的歷史，在大航海時代，歐州人在地球上積極進行全球探索，發現了新大陸，促進了工業革命的發展，中國失去了良機。近現代，在太陽系深空探測領域，歐美蘇率先進行了月球載人登陸，金星、火星無人探測，中國也制定並實施了一系列深空探測，如嫦娥、天問等，正在奮力趕超。未來，在太陽系近鄰的宜居行星探索中，全世界都處於同一起跑線，我國應該抓住機遇，銳意創新，在“另一個地球”的搜尋中取得領跑地位。
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來源：中國物理學會期刊網
編輯：zhenni、yrLewis
