行星不发光,天文学家有哪七种方法来发现数千光年外的行星?

科学家有很多方法来寻找地外行星,比如行星凌日法、径向速度法、直接测量法、引力摄动法,重力微透镜法、脉冲星计时法、相对论法等等;其中凌日法是最有效的,目前人类发现大约5000颗地外行星中,有70%都是利用凌日法发现的。

人类从上世纪,就开始了地外行星的寻找,现代天文学表明,宇宙中几乎每颗恒星周围都存在行星,但是行星不发光,所以要发现太阳系外行星是非常困难的;人类最早发现的太阳系外行星,是在1990年,利用了脉冲星计时法。

一、脉冲星计时法

当高速旋转的中子星脉冲信号扫过地球时,这颗中子星就可以叫做脉冲星,脉冲星直径在10公里左右,以非常高的速度旋转,由于角动量守恒,脉冲星的自转周期非常稳定。

如果在脉冲星周围存在行星,那么行星对脉冲星会产生引力扰动,使得脉冲星发出的脉冲信号存在异常;在1990年,波兰天文学家发现一颗名为PSR B1257+12的脉冲星信号极为特殊,科学家根据这个异常信号,发现了这颗脉冲星周围的三颗行星PSR B1257+12 A、PSR B1257+12 B和PSR B1257+12 C,距离地球约2300光年,这也是人类发现的首批系外行星。

二、行星凌日法

当一颗行星经过母恒星和地球之间时,恒星发出的部分光线会被行星遮挡,从而造成恒星亮度发生周期性变化,利用这个原理,天文学家发现了超过3000颗的地外行星。

比如2017年12月的消息,NASA利用Google深度学习算法,从开普勒太空望远镜的海量数据中,发现了数百颗行星,其中就有号称“迷你太阳系”的开普勒-90,距离地球2545光年,在该恒星系统中就有多达8颗行星。

开普勒太空望远镜,正是利用了行星凌日的方法,对天琴座和天鹅座中大约10万颗恒星进行长期观测,得到了近15万颗恒星的数据,行星凌日的方法非常高效,可以让我们发现大量的地外行星。

三、径向速度法

行星围绕恒星运行,相互之间会产生牵引力,当恒星受到径向牵引时,恒星发出的光线会相应地产生蓝移或者红移,也就是光的多普勒效应,利用这个现象,天文学家就可以推测行星的存在,并测定行星的速度、质量、轨道半径和公转周期。

比如1995年,天文学家在恒星飞马座51(视星等5.5,距离50光年)周围,利用径向速度法,发现了一颗0.5倍木星质量的行星,这也是人类发现的首颗热木星。

四、引力摄动法

利用行星引力对恒星的横向拖拽效应,如果恒星与地球的距离不远,那么从望远镜中,我们可以直接观察到恒星的引力摄动影响。

比如距离太阳最近的恒星是比邻星(4.2光年),在2019年4月,美国加利福尼亚州伯克利的天文学家,就利用行星对比邻星的引力摄动发现了一颗行星,质量是地球的1.3倍,公转周期11.2天。

五、相对论法

行星在围绕恒星公转的过程中,会对恒星有一个拖拽,从而导致恒星的亮度发生微弱变化,这种办法只适用于寻找大质量的行星,利用这个方法找到的行星也称作爱因斯坦行星。比如Kepler-76b就是一颗爱因斯坦行星,质量是木星的两倍,距离地球2000光年,就是利用这个方法发现的。

六、重力微透镜法

广义相对论表明,天体周围会产生时空弯曲,在恒星和行星周围也会发生时空弯曲,于是恒星表面发出的光线会产生一次光变曲线,如果再次经过行星周围就会产生二次光变曲线。利用这个办法,天文学家可以发现部分地外行星,甚至是流浪行星。

七、直接成像法

当行星距离母恒星较远时,行星反射的光线就能从母恒星的光线中分离出来,相当于直接观察行星,可以让我们得到行星的详细参数。

但是这个方法对观测设备的要求极高,还要求行星的尺寸不能太小,距离地球越近越好,同时行星也不能距离母恒星太近,目前天文学家用这种方法发现了数十颗系外行星。

以上七种探测系外行星的方法,都是各有各的优缺点,比如行星凌日法虽然效率非常高,但是当行星的公转轨道垂直于地球方向时,这个办法就失效了,而且行星凌日法不反应行星的大气数据,只有各种方法相辅相成,才能让我们发现更多的地外行星。