太陽系外行星

title: 观察历史.
content: 早在十九世纪便有天文学家声称发现系外行星。1855年,在东印度公司马德拉斯天文台工作的W. S. Jacob发现蛇夫座70双星系统轨道异常,怀疑当中有类似行星的物体;1890年代,芝加哥大学及美国海军天文台的汤玛斯·杰佛逊·杰克逊·希声称轨道异常证明该系统当中有一个公转周期为36年的黑暗物体,但福雷斯特·雷·莫尔顿随即指出这样的系统极不稳定。在1950至1960年代,斯沃斯莫尔学院的彼德·范·德·坎普声称发现了绕着巴纳德星公转的行星。后来的天文学家普遍认为这些早期观测都是错误的。  加拿大天文学家布鲁斯·坎贝尔等人在1988年的结果是首次获得随后观测确认的发现,他们利用视向速度法发现围绕少卫增八的行星;然而因为当年技术条件所限,包括发现者本身的天文学界都对结果有所保留。也有人怀疑这些其实是质量介乎于行星和恒星之间的棕矮星。  随后不少观测支持少卫增八(仙王座γ)拥有行星,但亦有研究显示相反的证据。最终到了2003年运用改进了的观测技术方能证实。  1991年,安德鲁·林恩等人声称运用脉冲星计时法发现了一个行星 PSR B1829-10的脉冲星行星。虽然结果受到注目,但林恩及其研究队伍很快便撤回结果。  1992年,美国天文学家亚历山大·沃尔兹森及戴尔·弗雷宣布发现一个围绕脉冲星PSR B1257+12的行星。这项发现迅速被确认,普遍认为这是首次对系外行星的确认。这些系外行星相信是由超新星的残余物所构成,或是巨型气体行星的固体核心被超新星抛出所形成。  1995年10月6日,日内瓦大学的米歇尔·麦耶及戴狄尔·魁若兹宣布首次发现一颗普通主序星(飞马座51)的行星,这发现开展了当代的系外行星发现。先进的科技,特别是高分辨率的光谱学,大大加速了新系外行星的发现。这些新发展让天文学家可以凭行星对母星的重力影响间接侦测到系外行星的存在,亦有行星因为经过母星前面导致母星光度减弱而被发现。  截至2013年10月30日,人类一共发现了1031个系外行星,包括一些在早前已被发现但一度被外界否定,却在后期才被证实的(如巴纳德星的行星),当中很多都是由杰佛瑞·马西的队伍在加州大学的里克天文台和凯克天文台发现。现已发现了二十个拥有超过一个行星的星系,最早发现的一个为仙女座υ行星系统;另外亦有四个行星围绕两个脉冲星的情况。经红外线观测恒星盘亦显示在一些行星系统中也存在着数以百万计的彗星。
title: 检测的方法.
content: 相较于母恒星,行星是非常暗淡的;在可见光的波长,它们通常只有母恒星百万分之一的亮度。这种微弱的光源是很难检测到的,而且母恒星的眩光往往会掩盖掉行星的微光。有必要遮挡掉母恒星的光芒以减少眩光,才能从地球上观测到;这样做是对在技术上是很大的挑战。  所有直接获得影像的系外行星不仅都很大(质量比木星大),而且离母恒星也很远。它们大多数还很热,因此他们发出激烈的红外线辐射;获得的红外线影像会比可见光影像更为明亮。  虽然目前绝大多数的太阳系外行星只能以间接的方法检测出来,但直接影像法在将来可能成为最重要的方法。下列是已经被证实非常有用的间接方法:
title: 脉冲星计时法.
content: 脉冲星是超新星爆炸后留下来超高密度的中子星。随着自转,脉冲星发出极为有规律的电磁波脉冲,因此脉冲的轻微异常能显示脉冲星的移动。和其它星体一样,脉冲星亦会受其行星影响而运动,故此计算其脉冲变动便可估计其行星的性质。  这方法最初并非设计来侦测系外行星,但其敏感度是各方法之中最高,足以侦测到质量只有地球十分之一的行星。脉冲星计时法亦可以侦测到行星系统内相互的重力扰动,故此可以得到更多有关行星及其轨道的资料。然而因为脉冲星比较罕有,所以亦难以用这方法发现大量行星;而且因为脉冲星附近有极强的高能量辐射,生命似乎难以生存。  1992年亚历山大·沃尔兹森便是利用了这个方法发现了PSR B1257+12的行星,而且被迅速确认,成为首个被确认的系外行星系统。
title: 恒星盘法.
content: 很多恒星都被尘埃组成的恒星盘包围,这些尘埃吸收了恒星的光再放出红外线,因此可以被观测。即使尘埃的总质量还不及地球,它们的总表面积仍足反映到可观测的红外线。哈伯太空望远镜可以通过其近红外线摄影机和多物体光谱仪观测这些尘埃,而史匹哲太空望远镜可以接收更广阔的红外线光谱以得到更佳的影象。在太阳系附近的恒星之中,已有超过15%被发现有尘埃盘。  一般相信这些尘埃是由彗星或小行星碰撞中形成,而在恒星的辐射压力下,很快便会把尘埃推至星际空间。故此侦测到尘埃盘便代表恒星附近有不断的碰撞以补充失散的尘埃,是恒星拥有彗星或小行星的间接证据。例如鲸鱼座τ附近的尘埃盘便显示这恒星拥有比太阳系多出十倍以上,类似凯伯带中的物体。  在一些情况下尘埃盘可以显示有行星的存在。有些尘埃盘中间有空洞或形成团状,都可能表示有行星在"清理"其轨道或尘埃受到行星引力影响而结集。在波江座ε便发现了有这两种特质的尘埃盘,意味着当中可能有一个轨道半径达40天文单位的行星;通过视向速度法,亦发现了另一个轨道较细的行星。
title: 直接摄影.
content: 因为行星相比于其母星都是非常暗淡的,所以一般都会被母星的光掩盖,故此要直接发现系外行星几乎是不可能的。但在一些特殊情况,现代的望远镜亦可以直接得到系外行星的影象,例如行星体积特别大(明显地大于木星),与母星有一段较大距离,以及较为年轻(故此温度较高而放出强烈的红外线)。 在2004年7月,天文学家们利用欧洲南天文台的甚大望远镜阵列在智利拍摄到棕矮星2M1207及其行星2M1207b。在2005年12月,2M1207b的行星身份被证实。估计这系外行星质量比木星高几倍,而且轨道半径大于40天文单位。直至2006年9月为止这是唯一被直接拍摄到而且被确认的系外行星。  当时还有另外三个疑似系外行星被拍摄到,包括豺狼座GQb、AB Pictoris b、及SCR 1845 b。截至2006年3月,当中未有任何一个被证实为行星;相反地,它们可能是小型的棕矮星。  2008年5月,加州大学伯克利分校的天文学家Paul Kalas从哈勃太空望远镜所拍照片中找到了到北落师门的一颗行星北落师门b,这是该望远镜首次直接拍摄到太阳系外行星,其亮度只有北落师门的10亿分之一。
title: 发展中的观察方法.
content: 数项计划中的太空任务已配备一些上述的侦测方法。在太空进行侦测可以得到更高的敏感度,因为避免了地球大气层扰动影响,以及探测到不能穿透大气层的红外线。预期这些太空探测器可以侦测到和地球类似的行星。  欧洲太空总署的对流旋转和行星横越计划以及美国太空总署的开普勒任务均会使用凌日法。COROT可以侦测到略为大于地球的行星,而开普勒太空望远镜更有能力侦测到比地球更小的行星。预期开普勒太空望远镜亦有能力探测到小轨道大型行星的反光,但不足以构成影像;正如月球的月相一样,这些反光会随时间而增加或减少,分析这些数据甚至可以显示其大气内的物质分布。透过这方法Kepler可以找到更多未被发现的系外行星。  美国太空总署计划在2014年发射的太空干涉测量任务将使用天体测量法在邻近恒星之中寻找类似地球的行星。欧洲太空总署的达尔文计划(Darwin)探测器及美国太空总署的类地行星发现者 则会尝试直接拍摄系外行星的照片。最近被提议的新世界任务更有遮光设备以阻挡恒星的光芒,容许天文学家直接观察到暗淡的系外行星。  2006年2月2日,美国太空总署宣布因为财政理由要无限期搁置TPF计划;2006年6月,美国众议院的拨款委员会恢复部分拨款,让计划最少可进行至2007年。12月27日,COROT卫星升空。美国的开普勒太空望远镜在2009年3月6日发射。
title: 定义.
content: 根据国际天文联会的“行星”定义,行星必须围绕一颗恒星。然而此定义仅适用于太阳系内的行星,所有的太阳系外行星被排除在外。,为此2001年国际天文联会针对太阳系外行星作以下定义(2003年有修订):
title: 命名.
content: 系外行星命名是在母星名字后加上一个小写英文字母。在一个行星系统内首个发现的行星将加上「b」,如飞马座51b,而随后发现的则依次序为飞马座51c,飞马座51d等。不使用「a」的原因是因为可被解释为母星本身。字母的排列只按发现先后决定,因此在格利泽876系统内最新发现的Gliese 876 d却是系统内已知轨道最小的一个行星。  在飞马座51b于1995年被发现前,系外行星有不同的命名方法。最早被发现的PSR B1257+12行星以大写字母命名,分别为PSR 1257+12 B及PSR 1257+12 C。随后发现了一个更为接近母星的行星时,却命名为1257+12 D而不是A。  一些系外行星也有非正式的外号,例如HD 209458 b又称欧西里斯。  2019年国际天文联合会百周年庆,开放了百余个系外行星给112国以公众投票方式加以命名,共计获36万个命名提案,42万人投票。授予台湾命名的系外行星-恒星系统获名为「水沙连--丽」(原科学编号为HD1000665)。香港将他们的系外行星和母恒星名称取为「太平山 -- 狮子山 」,中国则是「望舒 -- 羲和」。
title: 一般性质.
content: 大部分已知的系外行星都是围绕和太阳类似的恒星,即恒星光谱为F,G或K的主序星,原因之一是搜寻计划都倾向集中研究这类恒星。即使考虑到这点,统计分析亦显示低质量恒星(恒星光谱为M的红矮星)一般较少拥有行星或只有低质量行星。  所有恒星成分都以最轻的氢和氦为主,但亦有小量较重的原素如铁,天文学家以此描述恒星的金属性。较高金属性的恒星通常拥有较多行星,而且行星亦倾向有较高质量。  绝大部分已知的系外行星都是高质量的,当中90%是超过地球的10倍,很多亦明显比太阳系最重的木星为高。然而这只是一种观测上的选择性偏差,因为所有侦测方法都利于寻找高质量行星。这种偏差令统计分析难以进行,但似乎低质量行星实际上比高质量的更为普遍,因为在困难的情况下天文学家仍能发现一些只比地球质量高数倍的行星,显示它们在宇宙中应甚为普遍。  已知的系外行星中,相信绝大部分有大量气体,如太阳系中的巨行星一样。但这只有经凌日法方可证实。部分小型的行星被怀疑由岩石构成,类似地球和其它太阳系内行星。  很多系外行星的轨道都比太阳系的行星要小,但这同样是因为观测限制带来的选择性偏差,因为视向速度法对小轨道的行星最为敏感。天文学家最初对这种现象很疑惑,但现在已清楚大部分系外行星(或大部分高质量行星)都有很大的轨道。相信在大部分行星系统中,都有一或两个大型行星的轨道半径类似木星和土星的轨道。  轨道离心率是用作形容轨道的椭圆程度,大部分已知的系外行星轨道都有较高的离心率。这"并非"选择性偏差,因为侦测的难易程度和轨道离心率没有太大的关系。这种现象仍是一个谜,因为现时有关行星形成的理论都指轨道应是接近圆形的。这亦显示太阳系可能是不平常的,因为当中所有行星轨道基本上都是接近圆型的。  有关系外行星仍有不少未解之谜,例如它们的详细成分和卫星的普遍性。其实最有趣的问题之一是这些系外行星能否支持生命的存在。一些行星的确是处于生命适居的范围内,条件可能和地球类似;这些行星大都是类似木星的巨型行星,若它们拥有大型的卫星便是最有机会孕育生命的地方。然而即使生命在宇宙间普遍存在,若他们并非有高度文明,以星际距离之远实难以在可预见的时间内发现。
title: 值得注意的系外行星.
content: 在系外行星研究历史上有不少里程碑。1992年沃尔兹森及弗雷首次在《自然》发表发现系外行星的报告,显示脉冲星PSR B1257+12拥有行星。脉冲星行星的发现仍被认为是不寻常的事。飞马座51b是首个发现的主序星行星,由米歇尔·麦耶及戴狄尔·魁若兹于1995年10月6日在《自然》发表。天文学家最初都对这个"热木星"(即小轨道大质量的气体行星)感到惊讶,但很快便发现更多类似的行星。  自此以后,值得注意的发现包括:

Summary: 太阳系外行星亦称系外行星(Exoplanet),即位于太阳系之外,不绕行太阳公转的行星。截至2020年2月3日,已经被确认的系外行星总共有4173颗,当中74.%是透过凌日现象发现的;这些行星分属3096个行星系,其中有678个多行星系。开普勒任务已经检测到18,000颗行星候选者,包括262颗位於潜在适居带的候选者。