用凌日观测法寻找系外行星

人类发现的首颗太阳系外行星，或称系外行星，位于环脉冲星轨道上条件极其恶劣的区域。脉冲星是一种快速自转的中子星，能以每秒1 000次脉冲的频率发射有规律的脉冲辐射，包括无线电波、伽马射线和X射线。

脉冲星的脉冲速率是有规律且可预测的，正是基于这种高度规律性，脉冲速率甚至可能被应用于天体导航（详见第7章）。脉冲的微小变化引发人们的推断，这种可观测的不规律现象是由环轨行星导致的，而这正是系外行星存在的间接证据。

如今，光学设备终于达到了实现类似高难度观测所需的精度。很快，天文学家便能利用行星扰动恒星所产生的多普勒频移，探测到大部分类日恒星周围的系外行星。

其根本原理在于，恒星会通过自身重力牵引周围的行星，以确保行星环绕轨道运行。与此同时，行星也会对恒星产生引力。但由于双方质量相差悬殊，与恒星对行星产生的引力相比，行星对恒星产生的引力微乎其微。

因此，当一颗行星环绕恒星运行时，行星会牵拉恒星，使恒星朝向行星轻微偏移，从而导致恒星产生摆动。由于恒星是持续的发光体，天文学家便可通过光线波长发生的微小多普勒频移探测到这种摆动。尽管这种测量方法对行星质量的下限具有要求，但该方法依然为我们了解（以木星质量为标准单位的）行星提供了重要线索。

大约在2000年，天文学家开始采用凌日观测法寻找系外行星。想要理解这一观测法的原理，最佳方法就是参考日食的发生过程。当月球沿着人类视线从地球与太阳之间穿过时，会在地球上投下一个清晰可见的影子。

想象一下，我们现在身处冥王星的轨道之外的某处太空之中，我们在此观察整个太阳系。就在你盯着太阳看的时候，八大行星中的某颗行星从你的视野中穿过。通过高度灵敏的观测设备，我们可以清楚地看到，当行星从观测设备与太阳之间穿过时，太阳光线轻微变暗，一部分光线被行星遮挡了。

假设我们能够持续观测足够长的时间，比如若干地球年。那么，理论上我们就能观测到同一颗行星完成多圈环日运行从而引发的周期性太阳光变暗现象。如果我们改变观测方向，采用更加灵敏的设备去观测太阳以外的其他恒星，那么我们就会看到环绕该恒星运行的行星沿着这条观测视线引发的光线变暗现象。这种方法这就是凌日观测法（如图1.1所示）。

当然，考虑到恒星与环绕其运行的行星之间的距离及相对大小，用于观测光线变暗过程的设备必须具备非常高的敏感度，数据处理软件也必须更加精密复杂。我总喜欢用一个类比来帮助大家理解，这就好像你可以在黑暗中盯住自己的车前灯，然后利用蚊子（行星）飞过车灯（恒星）的过程去判断蚊子的大小。

图1.1 凌日观测法示意图

当一颗系外行星沿其轨道运行到其宿主恒星与地球之间时，会遮挡住部分恒星光线，造成恒星亮度周期性下降，这个现象称为“凌星”。通过观测这种规律性的亮度变化，科学家可以确定系外行星的存在，并推算出该系外行星绕其宿主恒星公转的周期。

如今，还有许多其他可行的方法用于发现和标记系外行星，有些航天飞行任务便是以此为目标的。正因如此，据NASA系外行星探索网站的数据显示，现已确认的系外行星数量多达4 000颗，此外还有5 000多颗潜在的系外行星等待逐一确认。

现在，故事的进展更加有趣了。在这些系外行星之中，有一些行星与地球的大小相近，且这些行星在其母恒星的宜居带内环绕母恒星运行。这就意味着，这类行星不仅大小近似于地球（有的大些，如海王星一般；有的小些，如火星一般），而且均环绕在恒星的宜居区域内，因此既不会太热，也不会太冷，可能存在液态水和目前所知的生命必要的化学元素。

科学家已经发现了约60颗此类潜在的宜居行星。鉴于我们只能在距离地球最近的恒星周围开展探测，而仅银河系内便有约1 000亿颗恒星，基于以上的统计数据，可以粗略推测出此类行星的数量可达……110亿颗至400亿颗。这一大笔潜在的“房地产”，等着我们去发现、规划和开发。但我们还要多久才能到达那里呢？

关于这个问题，科学家很难给出确切的回答，无法提出一个具体的日期或时间范围。至少，在目前的阶段很难给出。要想回答这个问题，我们首先需要搞清楚地球距离这些系外行星究竟有多远，更需要去了解两者之间有着什么。就让我们从深入理解太空的深邃，以及我们对“无限”的定义开始吧。