太陽系外行星

太陽系外行星，或簡稱系外行星，是位於太陽系之外的行星。截至2021年10月20日，已經被確認的系外行星總共有4531顆，當中約有四分之三是透過凌日現象發現的。這些行星分屬3364個行星系，其中有778個多行星系。克卜勒任務已經檢測到18,000顆行星候選者，包括262顆位於潛在適居帶的候選者。在銀河系，估計有1000億至4000億顆恆星，不只在恆星周圍有行星，也有自由移動的行星質量天體，而已知最靠近的系外行星是比鄰星b。幾乎所有已經發現的系外行星都在我們自己的銀河系內，但是有少量的銀河系外行星可能可以被檢測出來。哈佛－史密松天體物理中心在2013年1月提出的一份報告中提到：估計在銀河系內「至少有170億顆」地球尺度的系外行星。數百年來，許多哲學家和科學家都認為在太陽系以外應該也有行星的存在，但是沒有辦法知道行星有多普遍，或是與太陽系行星的相似度又是如何。在19世紀，許多的偵測方法被提出來，但最終所有的天文學家得到的結果都是否定的。第一個被確認的檢測出現在1992年，發現有幾顆質量類似地球的天體環繞著脈衝星PSR B1257+12。在主序帶恆星發現行星的第一個偵測結果出現在1995年，在鄰近的飛馬座51發現了以4天週期公轉一週的巨大行星。由於觀測技術的進步，自此之後偵測到的數量與效率迅速的增加。有些系外行星被大望遠鏡直接拍攝到影像，但絕大多數的系外行星都是經由徑向速度測量檢出的。除了系外行星，「系外彗星」也被發現，也許在銀河系內也是很普遍的。最常見的系外行星是氣體巨行星，相信是類似於木星或海王星，但這也反應了取樣偏差，因為大質量的行星比較容易被觀察到。一些相對比較輕的系外行星，質量只有地球的幾倍；如眾所周知，在統計上的研究表明它們的數量應該超過巨大的行星。雖然現在已經發現一小撮包括地球大小和更小的行星，似乎表現出其它的地球類似體屬性。也存在著有這行星質量的天體環繞著棕矮星和不受到恆星拘束在太空中自由移動的行星；然而，「行星」這個名詞尚未應用在這些天體上。發現的太陽系外行星，特別是軌道位於適居帶，極有可能有液態水存在表面的那些行星，提高了搜尋外星生命的興趣。因此，尋找太陽系外的行星還包括適居行星，在太陽系外的行星適合承載生命的研究中，被考慮的因素相當廣泛。在2013年1月7日，來自克卜勒任務太空天文臺的天文學家宣佈發現了KOI-172.02，一顆像地球的系外行星候選者，在一顆類似太陽的恆星的適居帶中環繞著，可能是「存在著外星生命的主要候選者」。觀察歷史.早在十九世紀便有天文學家聲稱發現系外行星。1855年，在東印度公司工作的#重定向 發現蛇夫座70雙星系統軌道異常，懷疑當中有類似行星的物體；1890年代，芝加哥大學及美國海軍天文臺的聲稱軌道異常證明該系統當中有一個公轉週期為36年的黑暗物體，但福雷斯特·雷·莫爾頓隨即指出這樣的系統極不穩定。在1950至1960年代，斯沃斯莫爾學院的聲稱發現了繞著巴納德星公轉的行星。後來的天文學家普遍認為這些早期觀測都是錯誤的。加拿大天文學家等人在1988年的結果是首次獲得隨後觀測確認的發現，他們利用視向速度法發現圍繞少衛增八的行星；然而因為當年技術條件所限，包括發現者本身的天文學界都對結果有所保留。也有人懷疑這些其實是質量介乎於行星和恆星之間的棕矮星。隨後不少觀測支援少衛增八擁有行星，但亦有研究顯示相反的證據。最終到了2003年運用改進了的觀測技術方能證實。1991年，等人聲稱運用脈衝星計時法發現了一個行星PSR B1829-10的脈衝星行星。雖然結果受到注目，但林恩及其研究隊伍很快便撤回結果。1992年，美國天文學家亞歷山大·沃爾茲森及宣佈發現一個圍繞脈衝星PSR B1257+12的行星。這項發現迅速被確認，普遍認為這是首次對系外行星的確認。這些系外行星相信是由超新星的殘餘物所構成，或是巨型氣體行星的固體核心被超新星丟擲所形成。1995年10月6日，日內瓦大學的米歇爾·麥耶及戴狄爾·魁若茲宣佈首次發現一顆普通主序星的行星，這發現開展了當代的系外行星發現。先進的科技，特別是高解像度的光譜學，大大加速了新系外行星的發現。這些新發展讓天文學家可以憑行星對母星的重力影響間接偵測到系外行星的存在，亦有行星因為經過母星前面導致母星光度減弱而被發現。截至2013年10月30日，人類一共發現了1031個系外行星，包括一些在早前已被發現但一度被外界否定，卻在後期才被證實的，當中很多都是由傑佛瑞·馬西的隊伍在加州大學的裡克天文臺和凱克天文臺發現。現已發現了二十個擁有超過一個行星的星系，最早發現的一個為仙女座υ行星系統；另外亦有四個行星圍繞兩個脈衝星的情況。經紅外線觀測恆星盤亦顯示在一些行星系統中也存在著數以百萬計的彗星。檢測的方法.相較於母恆星，行星是非常暗淡的；在可見光的波長，它們通常只有母恆星百萬分之一的亮度。這種微弱的光源是很難檢測到的，而且母恆星的眩光往往會掩蓋掉行星的微光。有必要遮擋掉母恆星的光芒以減少眩光，才能從地球上觀測到；這樣做是對在技術上是很大的挑戰。所有直接獲得影像的系外行星不僅都很大，而且離母恆星也很遠。它們大多數還很熱，因此他們發出激烈的紅外線輻射；獲得的紅外線影像會比可見光影像更為明亮。雖然目前絕大多數的太陽系外行星只能以間接的方法檢測出來，但直接影像法在將來可能成為最重要的方法。下列是已經被證實非常有用的間接方法：當一顆行星繞著恆星公轉，恆星也會繞著質量中心在自己小小的軌道上移動。恆星徑向速度的變化 －就是它遠離或接近地球的速度－ 可以從因為都卜勒效應造成在譜線上的變化檢測出來。極小的速度變化，即使小到1m/s甚至更小，都可以看得出來。這是目前發現系外行星最有生產力成效的方法。它擁有的優點是適合各種性質的恆星；而缺點則是無法確知行星的質量，只能知道行星質量的下限。但是，如果可以從恆星的徑向速度區分出行星本身的徑向速度，就可以測量出行星真正的質量。還有一個限制是需要高信噪比，因此目前的技術只能檢測出距離160光年以內的系外行星。徑向速度法也用作確認凌日法的結果，一同運用則有助於估計行星的真實質量。如果一顆行星從母恆星的前方經過，則觀測者會觀測到恆星的亮度會像滴了顆淚珠般下降了一點點。變暗的數值取決於行星的大小、恆星的大小，還有其它的因素等等。雖然他有大量的假陽性反應，而有必要做進一步的確認，但它依然是發現系外行星第二有成效的方法。凌日法可以提供行星半徑的資訊，有時它還能夠透過光譜研究行星的大氣層。配合徑向速度法，還可以提供更多的行星資訊。當存在著多顆行星時，相互之間對其它的軌道會有微小的攝動。一顆行星凌日週期的小變化可以指示另一顆行星的存在，而無關乎這顆行星是否會凌日。例如，系外行星WASP-3b凌日週期的微小變化，顯示這個系統有另外一顆行星存在，即不會凌日的WASP-3c。如果一個系統存在著多顆凌日的行星，也可以利用這種方法確認它們的存在。這種方法的另外一種形式，是測量聯星的食，可以揭露環繞這兩顆恆星外側的行星；在2011年11月，就用這種方法發現了5顆行星當恆星的重力場產生像透鏡一樣的微透鏡，會放大遙遠背景恆星的光。環繞著恆星的行星會導致探測到的恆星光度會隨著時間的推移產生異常的放大。截至2011年6月，這種方法的結果只檢測到13次，但是這種方法的優點是對距離母恆星遙遠的行星非常敏感。天體測量包括精確測量恆星在天空中的位置，和觀察隨著時間推移的位置變化。由於行星的重力影響造成的恆星運動或許可以觀察得到，因為這種移動是非常的小，因此這種方法還不是很有成效。它只產生了幾個有爭議的檢測，然而它還是成功的用於調查以其他方式發現的行星的屬性。脈衝星計時法.脈衝星是超新星爆炸後留下來超高密度的中子星。隨著自轉，脈衝星發出極為有規律的電磁波脈衝，因此脈衝的輕微異常能顯示脈衝星的移動。和其它星體一樣，脈衝星亦會受其行星影響而運動，故此計算其脈衝變動便可估計其行星的性質。這方法最初並非設計來偵測系外行星，但其敏感度是各方法之中最高，足以偵測到質量只有地球十分之一的行星。脈衝星計時法亦可以偵測到行星系統內相互的重力擾動，故此可以得到更多有關行星及其軌道的資料。然而因為脈衝星比較罕有，所以亦難以用這方法發現大量行星；而且因為脈衝星附近有極強的高能量輻射，生命似乎難以生存。1992年亞歷山大·沃爾茲森便是利用了這個方法發現了PSR B1257+12的行星，而且被迅速確認，成為首個被確認的系外行星系統。恆星盤法.很多恆星都被塵埃組成的恆星盤包圍，這些塵埃吸收了恆星的光再放出紅外線，因此可以被觀測。即使塵埃的總質量還不及地球，它們的總表面積仍足反映到可觀測的紅外線。哈伯太空望遠鏡可以透過其近紅外線攝影機和多物體光譜儀觀測這些塵埃，而史匹哲太空望遠鏡可以接收更廣闊的紅外線光譜以得到更佳的影象。在太陽系附近的恆星之中，已有超過15%被發現有塵埃盤。一般相信這些塵埃是由彗星或小行星碰撞中形成，而在恆星的輻射壓力下，很快便會把塵埃推至星際空間。故此偵測到塵埃盤便代表恆星附近有不斷的碰撞以補充失散的塵埃，是恆星擁有彗星或小行星的間接證據。例如鯨魚座τ附近的塵埃盤便顯示這恆星擁有比太陽系多出十倍以上，類似凱伯帶中的物體。在一些情況下塵埃盤可以顯示有行星的存在。有些塵埃盤中間有空洞或形成團狀，都可能表示有行星在＂清理＂其軌道或塵埃受到行星引力影響而結集。在波江座ε便發現了有這兩種特質的塵埃盤，意味著當中可能有一個軌道半徑達40天文單位的行星；透過視向速度法，亦發現了另一個軌道較細的行星。直接攝影.因為行星相比於其母星都是非常暗淡的，所以一般都會被母星的光掩蓋，故此要直接發現系外行星幾乎是不可能的。但在一些特殊情況，現代的望遠鏡亦可以直接得到系外行星的影象，例如行星體積特別大。在2004年7月，天文學家們利用歐洲南天文臺的甚大望遠鏡陣列在智利拍攝到棕矮星2M1207及其行星2M1207b。在2005年12月，2M1207b的行星身分被證實。估計這系外行星質量比木星高幾倍，而且軌道半徑大於40天文單位。直至2006年9月為止這是唯一被直接拍攝到而且被確認的系外行星。當時還有另外三個疑似系外行星被拍攝到，包括豺狼座GQb、AB Pictoris b、及SCR 1845 b。截至2006年3月，當中未有任何一個被證實為行星；相反地，它們可能是小型的棕矮星。2008年5月，加州大學伯克利分校的天文學家Paul Kalas從哈勃太空望遠鏡所拍照片中找到了到北落師門的一顆行星北落師門b，這是該望遠鏡首次直接拍攝到太陽系外行星，其亮度只有北落師門的10億分之一。發展中的觀察方法.數項計劃中的太空任務已配備一些上述的偵測方法。在太空進行偵測可以得到更高的敏感度，因為避免了地球大氣層擾動影響，以及探測到不能穿透大氣層的紅外線。預期這些太空探測器可以偵測到和地球類似的行星。歐洲太空總署的對流旋轉和行星橫越計劃以及美國太空總署的克卜勒任務均會使用凌日法。COROT可以偵測到略為大於地球的行星，而克卜勒太空望遠鏡更有能力偵測到比地球更小的行星。預期克卜勒太空望遠鏡亦有能力探測到小軌道大型行星的反光，但不足以構成影像；正如月球的月相一樣，這些反光會隨時間而增加或減少，分析這些資料甚至可以顯示其大氣內的物質分佈。透過這方法Kepler可以找到更多未被發現的系外行星。美國太空總署計劃在2014年發射的太空干涉測量任務將使用天體測量法在鄰近恆星之中尋找類似地球的行星。歐洲太空總署的達爾文計畫探測器及美國太空總署的類地行星發現者 則會嘗試直接拍攝系外行星的照片。最近被提議的新世界任務更有遮光裝置以阻擋恆星的光芒，容許天文學家直接觀察到暗淡的系外行星。2006年2月2日，美國太空總署宣佈因為財政理由要無限期擱置TPF計劃；2006年6月，美國眾議院的撥款委員會恢復部分撥款，讓計劃最少可進行至2007年。12月27日，COROT衛星升空。美國的開普勒太空望遠鏡在2009年3月6日發射。定義.根據國際天文聯會的“行星”定義，行星必須圍繞一顆恆星。然而此定義僅適用於太陽系內的行星，所有的太陽系外行星被排除在外。為此2001年國際天文聯會針對太陽系外行星作以下定義：命名.系外行星命名是在母星名字後加上一個小寫英文字母。在一個行星系統內首個發現的行星將加上「b」，如飛馬座51b，而隨後發現的則依次序為飛馬座51c，飛馬座51d等。不使用「a」的原因是因為可被解釋為母星本身。字母的排列只按發現先後決定，因此在格利澤876系統內最新發現的Gliese 876 d卻是系統內已知軌道最小的一個行星。在飛馬座51b於1995年被發現前，系外行星有不同的命名方法。最早被發現的PSR B1257+12行星以大寫字母命名，分別為PSR 1257+12 B及PSR 1257+12 C。隨後發現了一個更為接近母星的行星時，卻命名為1257+12 D而不是A。一些系外行星也有非正式的外號，例如HD 209458 b又稱歐西-{裡}-斯。2019年國際天文聯合會百週年慶，開放了百餘個系外行星給112國以公眾投票方式加以命名，共計獲36萬個命名提案，42萬人投票」。一般性質.大部分已知的系外行星都是圍繞和太陽類似的恆星，即恆星光譜為F，G或K的主序星，原因之一是搜尋計劃都傾向集中研究這類恆星。即使考慮到這點，統計分析亦顯示低質量恆星一般較少擁有行星或只有低質量行星。所有恆星成分都以最輕的氫和氦為主，但亦有小量較重的原素如鐵，天文學家以此描述恆星的金屬性。較高金屬性的恆星通常擁有較多行星，而且行星亦傾向有較高質量。絕大部分已知的系外行星都是高質量的，當中90%是超過地球的10倍，很多亦明顯比太陽系最重的木星為高。然而這只是一種觀測上的選擇性偏差，因為所有偵測方法都利於尋找高質量行星。這種偏差令統計分析難以進行，但似乎低質量行星實際上比高質量的更為普遍，因為在困難的情況下天文學家仍能發現一些只比地球質量高數倍的行星，顯示它們在宇宙中應甚為普遍。已知的系外行星中，相信絕大部分有大量氣體，如太陽系中的巨行星一樣。但這只有經凌日法方可證實。部分小型的行星被懷疑由岩石構成，類似地球和其它太陽系內行星。很多系外行星的軌道都比太陽系的行星要小，但這同樣是因為觀測限制帶來的選擇性偏差，因為視向速度法對小軌道的行星最為敏感。天文學家最初對這種現象很疑惑，但現在已清楚大部分系外行星都有很大的軌道。相信在大部分行星系統中，都有一或兩個大型行星的軌道半徑類似木星和土星的軌道。軌道離心率是用作形容軌道的橢圓程度，大部分已知的系外行星軌道都有較高的離心率。這"並非"選擇性偏差，因為偵測的難易程度和軌道離心率沒有太大的關係。這種現象仍是一個謎，因為現時有關行星形成的理論都指軌道應是接近圓形的。這亦顯示太陽系可能是不平常的，因為當中所有行星軌道基本上都是接近圓型的。有關系外行星仍有不少未解之謎，例如它們的詳細成分和衛星的普遍性。其實最有趣的問題之一是這些系外行星能否支援生命的存在。一些行星的確是處於生命適居的範圍內，條件可能和地球類似；這些行星大都是類似木星的巨型行星，若它們擁有大型的衛星便是最有機會孕育生命的地方。然而即使生命在宇宙間普遍存在，若他們並非有高度文明，以星際距離之遠實難以在可預見的時間內發現。值得注意的系外行星.在系外行星研究歷史上有不少里程碑。1992年沃爾茲森及弗雷首次在《自然》發表發現系外行星的報告，顯示脈衝星PSR B1257+12擁有行星。脈衝星行星的發現仍被認為是不尋常的事。飛馬座51b是首個發現的主序星行星，由米歇爾·麥耶及戴狄爾·魁若茲於1995年10月6日在《自然》發表。天文學家最初都對這個＂熱木星＂感到驚訝，但很快便發現更多類似的行星。自此以後，值得注意的發現包括：