太阳系外行星

太阳系外行星或系外行星是位于太阳系之外，围绕恒星公转的行星。截至2024年4月1日，有4,161个已知的系外行星系统，合共有5,653颗已确认的系外行星，其中896个系统拥有不止一颗行星。

系外行星的第一个可能证据是在1917年被发现的，但当时没有得到认可。1992年才首次确认了系外行星的发现。另一颗在1988年首次发现的系外行星，于2003年得到证实。詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）有望发现更多的系外行星，并更深入地了解它们的特征，例如它们的地外大气层、环境条件和生命潜力。

探测系外行星的方法由许多种。凌日法和多普勒光谱发现的最多，但这些方法存在明显的观测偏差，有利于探测恒星附近的行星；因此，探测到的系外行星85%都位于潮汐锁定区域内。在一些情况下，在恒星周围被观测到多颗行星。大约五分之一是类太阳恒星，有一颗“地球大小”的行星是适居带中的行星。假设银河系中有2,000亿颗恒星，可以假设银河系中有110亿颗潜在的地球大小的适居行星，如果包括围绕众多红矮星运行的行星，则增加到400亿颗。

已知的质量最小的系外行星是Draugr（也称为PSR B1257+12 A或PSR B1257+12 b），质量大约是月球质量的两倍。NASA外行星档案馆上列出的质量最大系外行星是HR 2562 b，质量大约是木星质量的30倍。然而，根据行星的一些定义（基于氘的核融合），它太大了，不可能成为一颗行星，而可能是一颗棕矮星。系外行星的已知轨道时间从不到一小时（对于那些最接近恒星的行星）到数千年不等。一些系外行星离恒星很远，很难判断它们是否与恒星有引力束缚。

到目前为止，几乎所有探测到的行星都在银河系内。然而，有证据表明银河系外行星，即位于其它星系的系外行星，可能存在。最近的系外行星距离地球4.2光年（1.3秒差距），并围绕离太阳最近的恒星比邻星运行。

系外行星的发现增强了人们对寻找外星生命的兴趣。人们特别感兴趣的行星是在恒星的适居带（或有时称为“古迪洛克带”）中运行的，在那里液态水有可能存在于表面，这是我们所知道的生命的先决条件。然而，对行星适居性的研究也考虑了一系列其他因素，以确定行星是否适合容纳生命。

星际行星是指不围绕任何恒星运行的行星。这类天体被认为是一类独立的行星，尤其是如果它们是气态巨行星，通常被视为次棕矮星。银河系中的星际行星可能有几十亿甚至更多。

## 定义

### 国际天文联合会的定义

国际天文学联合会（IAU）在2006年对对太阳系内的行星做出了定义（参见2006年行星重定义），但该定义并不适用于系外行星。对系外行星的定义，由国际天文学联合会的太阳系外行星工作组起草。他们于2001年发表了一份立场声明，给出了系外行星的的工作定义，并于2003年进行了修改。该定义对“系外行星”给出了以下标准：

国际天文学联合会F2委员会：系外行星和太阳系，于2018年8月对该工作定义进行了修订。“系外行星”的官方工作定义如下：

国际天文联合会指出，这一定义有望随着知识的进步而演变。

### 选择

国际天文学联合会的工作定义并非令所有的天文学家满意，所以也有人在寻求其他的定义。有一种建议是，应该根据行星的形成将其与棕矮星区分开来。人们普遍认为，巨行星是通过核心吸积形成的，这有时可能会产生质量超过氘融合阈值的行星；这类大质量行星可能已经被观测到了。棕矮星像恒星一样是由气体云直接由引力坍缩形成的，这种形成机制也会产生低于13限制，可以低至1。在这个质量范围内的天体，以数百或数千天文单位的宽阔间距绕恒星运行，并且具有大的恒星/天体质量比，很可能形成棕矮星；与吸积形成的行星相比，它们的大气层可能比吸积形成的行星更类似于宿主恒星的成分，吸积形成的行星会含有更丰富的较重元素。截至2014年4月，大多数直接成像的系外行星都是大质量的，轨道很宽，因此可能代表了棕矮星形成的低质量端。

一项研究表明，上面的物体10通过引力不稳定性形成的，不应该被认为是行星。

此外，木星13倍的质量截断并没有确切的物理意义。氘融合可以发生在一些质量低于临界值的物体上。氘的融合量在一定程度上取决于物体的成分。截至2011年，太阳系外行星百科全书包括质量高达25倍木星质量的天体，并说：“在观测到的质谱中，13周围没有特殊特征，这一事实强化了忘记这一质量极限的选择。”。截至2016年，基于对质量-密度关系的研究，这一极限增加到木星质量的60倍。系外行星数据浏览器包括质量高达24木星质量的天体，并提供咨询：“国际天文学联合会（IAU）工作组的13木星质量区分对于具有岩石核心的行星来说在物理上是没有动机的，并且由于sin i ambiguity，在观测上是有问题的。”。NASA外行星档案馆包括质量（或最小质量）等于或小于30木星质量的物体。区分行星和棕矮星的另一个标准，不是氘的融合、形成过程或位置，而是核心压力是否由库仑压力或电子简并压力主导，分界线约为5木星质量左右。

## 命名

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。其中授予台湾命名的系外行星及恒星获名为“水沙连”及“丽”。香港将他们的系外行星和母恒星名称取为“太平山”及“狮子山”，中国则是“望舒”及“羲和”。

## 观察历史

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威廉·史蒂芬·雅各布发现蛇夫座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。

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加拿大天文学家等人在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。

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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2026年7月9日，人类已经确认了6,319颗系外行星。其中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。

## 检测的方法

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### 直接摄影法

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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。

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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保罗·卡拉斯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。

随着观测和摄影技术的发展，直接影像法在将来可能扮演更加重要的角色。

### 间接方法

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。下列是已经被证实非常有用的间接方法：

- 径向速度或多普勒法

当一颗行星绕着恒星公转，恒星也会绕着质量中心在自己小小的轨道上移动。恒星径向速度的变化－就是它远离或接近地球的速度－可以从因为多普勒效应造成在谱线上的变化检测出来。极小的速度变化，即使小到1m/s甚至更小，都可以看得出来。这是目前发现系外行星最有生产力成效的方法。它拥有的优点是适合各种性质的恒星；而缺点则是无法确知行星的质量，只能知道行星质量的下限。但是，如果可以从恒星的径向速度区分出行星本身的径向速度，就可以测量出行星真正的质量。还有一个限制是需要高信噪比，因此目前的技术只能检测出距离160光年以内的系外行星。径向速度法也用作确认凌日法的结果，一同运用则有助于估计行星的真实质量。

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- 凌日法

如果一颗行星从母恒星的前方经过（凌），则观测者会观测到恒星的亮度会像滴了颗泪珠般下降了一点点。变暗的数值取决于行星的大小、恒星的大小，还有其它的因素等等。虽然他有大量的假阳性反应，而有必要做进一步的确认，但它依然是发现系外行星第二有成效的方法。凌日法可以提供行星半径的资讯，有时它还能够透过光谱研究行星的大气层。配合径向速度法，还可以提供更多的行星资讯。

- 凌日时间变分法

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当存在着多颗行星时，相互之间对其它的轨道会有微小的摄动。一颗行星凌日周期的小变化可以指示另一颗行星的存在，而无关乎这颗行星是否会凌日。例如，系外行星WASP-3b凌日周期的微小变化，显示这个系统有另外一颗行星存在，即不会凌日的WASP-3c。如果一个系统存在着多颗凌日的行星，也可以利用这种方法确认它们的存在。这种方法的另外一种形式，是测量联星的食，可以揭露环绕这两颗恒星外侧的行星；在2011年11月，就用这种方法发现了5颗行星

- 重力微透镜

当恒星的重力场产生像透镜一样的微透镜，会放大遥远背景恒星的光。环绕着恒星的行星会导致探测到的恒星光度会随着时间的推移产生异常的放大。截至2011年6月，这种方法的结果只检测到13次，但是这种方法的优点是对距离母恒星遥远的行星非常敏感。

- 天体测量

天体测量包括精确测量恒星在天空中的位置，和观察随着时间推移的位置变化。由于行星的重力影响造成的恒星运动或许可以观察得到，因为这种移动是非常的小，因此这种方法还不是很有成效。它只产生了几个有争议的检测，然而它还是成功的用于调查以其他方式发现的行星的属性。

- 脉冲星计时法

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脉冲星是超新星爆炸后留下来超高密度的中子星，其电磁波脉冲的轻微异常能显示脉冲星的移动。和其它星体一样，脉冲星的运动亦会受其行星影响，故此计算其脉冲变动便可估计其行星的性质。脉冲星计时法敏感度是各方法之中最高的，足以侦测到质量只有地球十分之一的行星。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。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，成为首个被确认的系外行星系统。

- 恒星盘法

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很多恒星都被尘埃组成的恒星盘包围着，这些尘埃吸收了恒星的光会再放出红外线。尽管尘埃的总质量很小，但它们的总表面积很大，能放射出足以被观测到的红外线。在太阳系附近的恒星之中，已有超过15%被发现有尘埃盘。尽管并非确定证据，但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，这可能表示有行星在＂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，预示着可能存在的的行星。

### 发展中的检测方法

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。

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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。透过这方法开普勒太空望远镜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。

## 一般性质

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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。