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17000光年外!天文学家发现比木星还大的行星,怎么做到的?

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当地时间3月21日,美国宇航局宣布了一条令人振奋的消息:人类确认发现的系外行星数量正式突破5000颗!

20世纪末,天文学家首次发现了系外行星。尽管当时的天文学家也相信其他恒星可以拥有行星,但是在如此遥远的距离下发现这样小的天体,还是能够让人感到不可思议。

从那时候开始,天文学家就开始了发现系外行星的步伐,并且建立了许多寻找系外行星的科学方法。其中,凌日法和径向速度法是最重要的手段,这两种方法帮助天文学家发现了绝大部分人类目前已知的系外行星。

所谓的凌日法,就是指一颗系外行星在运行到宿主恒星和地球之间的时候,会导致我们观测到的恒星亮度有微弱的变化。至于径向速度法,则是利用行星引力对宿主恒星的拖曳作用,导致恒星发生摆动,光谱呈现出变化来。

(图片说明:系外行星艺术图)

这两种方法的确非常有效,但也有各自的弊端。尤其是凌日法,要求地球必须位于这颗系外行星所在的轨道平面内,否则这颗行星无法运行到地球和宿主恒星之间。而且,这颗系外行星还不能太远,否则宿主恒星本身就过于黯淡,人类现有的设备观测起来本身就非常困难,更不要提看到它的亮度变化了。

比如美国宇航局在2009年发射的开普勒太空望远镜,就是专门利用凌日法来寻找系外行星的。即便是对于开普勒来说,最多也只能观测到10000光年内的系外行星,对于更远的系外行星,它就无能为力了。

(图片说明:开普勒太空望远镜)

不过,天文学家还是从开普勒的数据中,打破了界限,发现了一颗极其遥远的系外行星。打破这个界限的难度是很大的,他们不仅借用了开普勒的数据和凌日法的原理,还通过另一个天体物理学现象的结合,才取得了这样的发现。这个天体物理学现象,就叫做微引力透镜效应。

关于引力透镜效应,我们介绍过很多次了,这是根据爱因斯坦的广义相对论引申出来的现象。

(图片说明:引力透镜效应示意图)

广义相对论指出:引力可以扭曲周围的空间,导致途经这里的光线也发生偏折。如果一个天体(前景天体)挡在地球和另一个天体(背景天体)之间,那么原本它可以挡住背景天体,但它的引力会导致背景天体的光线经过偏折传播到地球上,被我们观测到。

这种偏折类似于凸透镜产生的偏折效果,所以叫做引力透镜效应。我们知道,凸透镜也就是我们通常所说的放大镜,所以引力透镜效应不仅可以让我们看到在空间上被遮挡的天体,甚至还可以放大其图像,让我们看得更清晰。

至于微引力透镜效应,就类似于引力透镜效应和凌日法的结合。

(图片说明:微引力透镜效应示意图)

当一颗前景恒星运行到背景恒星和地球之间时,会导致背景恒星的亮度产生变化。与此同时,如果前景恒星附近有一颗系外行星,那么它也会给背景恒星的亮度造成干扰。如果天文学接连看到一颗背景恒星连续出现两次亮度的变化,并且只发现了其中一颗前景恒星,那么另一颗就极有可能是它的行星了。

正是通过微引力透镜效应,天文学家们才有机会发现更多的行星。

有了巧妙的方法,还得有正确的观测方向。英国卓瑞尔河岸天文台的Eamonn Kerins博士介绍说:一颗背景恒星受到行星影响的概率,大约是几千万甚至几亿分之一。因此,如果漫无目的地通过这种方向寻找系外行星,效率是相当低的。

不过,银河系中有一个地方,拥有着密集的恒星,可以大幅提到天文学家利用微引力透镜效应发现系外行星的效率,那就是银河系中心。这里有数以亿计的恒星,开普勒望远镜在2016年对这里进行了长达3个月的观测,获得了大量的数据。

在即将发表于《皇家天文学会月刊》上的一篇论文中,研究人员介绍说:他们在这些数据中发现了5个可能代表着系外行星的证据。由于开普勒望远镜的轨道比较特殊,它的观测数据和地表的观测数据可以形成三角测量法,这让研究人员们有机会验证了这5个证据,并确认其中一个确实来自于系外行星,他们将其命名为K2-2016-BLG-0005Lb。

(图片说明:K2-2016-BLG-0005Lb的发现示意图)

根据观测,K2-2016-BLG-0005Lb和地球的距离是17000光年,这是开普勒此前发现最遥远的系外行星距离的两倍左右!

不仅如此,研究人员还获取了其他一些数据。他们发现,K2-2016-BLG-0005Lb是一颗质量略大于木星的行星,这意味着它应该是一颗气体巨星,而且其轨道半长轴也和木星差不多。它的宿主恒星比我们的太阳小一点,是后者的60%左右。

关于它的更多信息,目前现有的仪器都无法获得。而且遗憾的是,这种微引力透镜效应发现的行星也有一个弊端,那就是发现本身就具有偶然性,我们不一定什么时候才能遇到下一次对它进行观测的机会,这样的机会甚至可能在很多人有生之年都无法再次出现。

(图片说明:K2-2016-BLG-0005Lb的发现图像)

作为弊端的另一面,这种方法也有其独特的优势。首先就是它能够让人类发现更加遥远的系外行星,大大拓展了我们的视野。另外,和凌日法、径向速度法通常只能发现距离宿主恒星很近的系外行星不同,微引力透镜效应可以让我们发现距离宿主恒星比较远的气体巨星,而且天文学家认为,气体巨星就是在这样的距离上形成的。

(图片说明:罗曼太空望远镜)

在未来,美国宇航局还将发射更加强大的望远镜,尝试通过这种方法寻找系外行星,那就是南希·格雷斯·罗曼太空望远镜。这台望远镜有望利用微引力透镜效应,在银河系中心发现1400颗系外行星,其中甚至包括100颗质量和地球差不多的行星。期待它早日升空。

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