中国科学家领衔发现超级地球！揭秘如何找到看不见的系外行星

2025年6月3日，《自然·天文》（Nature Astronomy）刊登了一项令人振奋的发现——由中国科学院云南天文台（CAS）牵头的国际研究团队在开普勒-725系统中探测到一颗位于宜居带的系外行星：开普勒-725c（Kepler-725c）。

使用TTV技术发现的开普勒-725c（图片来源：中国科学院云南天文台）

据中国科学院云南天文台研究员顾盛宏介绍，这是在国际上首次利用凌星中间时刻变化（Transit Timing Variation，简称TTV）反演技术在类太阳恒星的宜居带发现此类行星。

这项突破不仅点亮了寻找“另一个地球”的新路径，也让我们好奇：这种方法究竟有何特别之处？科学家们还掌握哪些寻找系外行星的妙招？接下来，就让我们一起来探索这些令人惊叹的技术。

凌星法：捕捉光中之影

凌星法是发现系外行星数量最多的方法。据NASA数据显示，截至目前，已有4383颗行星通过这种方法被发现。

当一只蚊子从明亮的灯泡前飞过，虽然我们可能看不清蚊子本身，却能察觉到光线的微弱变化——这正是凌星法的基本原理：当行星从恒星前方经过时，会遮挡部分恒星光线，导致我们观测到的恒星亮度暂时下降。因此，即使科学家无法直接观测到系外行星，也能通过恒星亮度的周期性变化推断其存在。

视频来源：NASA

凌星法不仅能确定行星的存在，还能提供行星的诸多信息：通过测量恒星亮度下降的幅度，就可以计算出行星相对于其恒星的尺寸比例。根据凌星时间间隔和光变特征，可以计算出行星的轨道周期和其他参数。此外，当凌星发生时，恒星的部分光照会穿透其大气层，通过分析这些光线的光谱，科学家甚至能推断出该行星的大气成分。

行星凌星光谱概念图（图片来源：NASA）

凌星中间时刻变化（TTV）：探测多行星系统中的隐形成员

尽管凌星法是目前最被广泛使用的系外行星探测技术，却有着明显的观测偏好与局限：一是更易发现短周期行星（例如公转周期≤100天）；二是倾向于发现围绕晚型恒星运行的行星；三则是只能探测到轨道恰好从地球视角看来会横穿恒星表面的行星，而这在统计学上只占所有行星系统的很小一部分。

凌星中间时刻变化反演技术作为凌星法的精妙延伸，可以有效弥补这一传统方法在探测非凌星行星方面的不足，为寻找系外生命提供更多途径。其原理基于一个简单而精妙的观察：当一个恒星系统中存在多颗行星时，它们之间的引力会相互作用，导致已知凌星行星的凌星时间出现微小但可测量的变化。

视频来源：NASA

让我们设想这样一个场景：一颗通过凌星法可见的行星，每隔固定时间就会从恒星前方经过，导致恒星亮度规律性下降。理论上，它应该严格按照固定周期发生。然而，如果系统中还存在一颗未被观测到的行星，它的引力就会扰动已知行星的轨道，使得凌星时间出现提前或延后。

通过精确测量这些时间变化的模式，天文学家可以推断出隐藏行星的质量、轨道周期等关键信息，即使这颗行星本身从未被直接观测到。

凌星中间时刻变化概念图（图片来源：The Planetary）

此次，中国科学院云南天文台牵头的国际研究团队正是通过分析一颗气态巨行星——开普勒-725b的凌星时间变化，成功反演出了同系统中的非凌星行星——开普勒-725c。

这颗行星的质量约为地球的10倍，属于“超级地球”或小型海王星范畴，距离我们将近1.6亿个天文单位（从地球到太阳的平均距离为一个天文单位）。它位于其宿主恒星开普勒-725的宜居带内，使之成为潜在的系外生命栖息地。这是凌星中间时刻变化反演技术首次在类太阳恒星的宜居带探测到此类行星，为系外生命搜寻提供了可靠的技术路径。

除去凌星法和凌星中间时刻变化外，科学家们发现系外行星的方法还有很多，例如视向速度法、微引力透镜、直接成像法等。每一种都有其独特的优势，它们共同编织出一张捕捉系外行星的“天网”，让我们得以窥见遥远世界的奥秘。

视向速度法：行星恒星“华尔兹”

视向速度法，又称多普勒光谱法，已帮助科学家发现了超过1100颗系外行星。它的原理也很简单：恒星和行星都在围绕它们共同的质心旋转，当一颗巨大的行星围绕恒星运行时，恒星也会受到行星引力的影响而产生微小的“摆动”，如同一曲“天际华尔兹”。

视频来源：NASA

这种“摆动”导致恒星周期性地靠近或远离地球，从而使其光谱产生多普勒效应——恒星远离时光谱蓝移，靠近时红移。

视向速度法概念图（图片来源：NASA）

通过精确测量恒星光谱线的这种周期性移动，天文学家可以推断出行星的存在及其基本特性。行星质量越大，引起的恒星速度变化越明显，因此，该方法更适合探测那些质量远超木星的短周期巨行星。

微引力透镜：被行星扭曲的光

当行星经过恒星和地球之间时，来自遥远恒星的光在引力的作用下会弯曲和聚焦，使其暂时看起来更亮——这就是微引力透镜效应。

视频来源：NASA

在天文学家眼中，微引力透镜效应表现为一颗遥远恒星的亮度在约一个月内缓慢增强又逐渐衰减。由于无法预知这类事件的发生时空坐标，天文学家需要对广袤天区进行长期监测。当记录到恒星亮度呈现典型透镜变化模式时，他们便会通过数据分析来推算透镜天体的预估尺寸。

微引力透镜效应在望远镜中的表现（图片来源：NASA）

直接成像法：恒星级“遮光板”

你可能会想问，这些方法都是间接推断系外行星的存在，有没有什么手段能使我们直接“看”到它们呢？事实上，这一任务极具挑战性，因为恒星的亮度可达行星的数十亿倍，致使系外行星往往淹没在恒星的强光辐射中。

不过，伴随着技术的进步，科学家们已经逐渐将其变为可能。就像在开车时利用遮阳板来挡住太阳的眩光一样，目前科学家们主要使用日冕仪（Coronography）和“遮星罩”（Starshade）来阻挡恒星的光线，从而捕捉反射大量星光的气态巨行星，或更理想的目标——形成初期仍保留原始热量的年轻行星。根据行星是在可见光波段还是红外（热辐射）波段被成像，科学家们还能再次分析其光谱，揭示其大气成分的信息。

日冕仪，作为望远镜的内部附加组件遮挡恒星光线（图片来源：NASA）

遮星罩，作为一个单独的航天器遮挡恒星光线（图片来源：NASA）

目前，直接成像法仍处于起步阶段，主要限于探测年轻、大质量、远离恒星的行星。随着技术的不断进步，直接成像法在未来可能会取得更多突破，为我们提供更多系外行星的直接影像。

HR 8799系统中的四颗超级木星，这段镜头由12年内拍摄的10张照片组成（图片来源：Jason Wang (Northwestern)/William Thompson (UVic)/Christian Marois (NRC Herz-berg)/Quinn Konopacky (UCSD)）

截至目前，科学家们已经确认发现了超过5000颗系外行星。而此次Kepler-725c的发现，再次证明凌星中间时刻变化法在探测宜居带内类地行星方面的强大潜力。在浩瀚宇宙之中，人类是否孤独？追问永不停息，可能的生命回响，或许就藏匿在下一颗被发现的行星上。

参考资料：

1.https://www.ynao.ac.cn/xwzx/kyjz/202506/t20250602_7794879.html

2.https://www.nature.com/articles/s41550-025-02565-z

3.https://ysxw.cctv.cn/article.html?toc_style_id=feeds_default&item_id=5216360627214333718&channelId=1119

4.https://www.planetary.org/articles/timing-variations

5.https://exoplanets.nasa.gov/alien-worlds/ways-to-find-a-planet/?intent=021

来源：蝌蚪五线谱

编辑：二分

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