2025年第七八期 下一代望远镜怎样探索系外行星

在天文望远镜发展的早期，太阳系之外的行星并没有进入天文望远镜观测的视野之中。但到了20世纪后期， 随着人类对宇宙和行星世界认识的逐步深入，这种被称为“系外行星”的天体成了现代天文望远镜观测的重要目标。从1995年人类发现第一颗存在于类太阳恒星周围的系外行星至今，人类已发现了几千颗系外行星，这是现代大型望远镜和太空望远镜带来的重要成果。

发现系外行星大大拓展了人类对宇宙的认识，而行星世界的丰富性和多样性也引发了人类对生命之谜更加深入的思考。例如，我们的地球是唯一拥有生命的世界吗？我们能否在太阳系之外更加辽阔的宇宙中找到存在生命的星球？

现在，科学家对获取这个问题的答案更有信心了，因为他们发现，即将问世的下一代望远镜将为人们提供探索系外行星生命世界的绝佳手段。科学家推测，这些望远镜将在未来20年内满足人类对系外行星生命世界的探索需求，而不仅仅是发现系外行星。因为最新的研究表明，下一代地面大型望远镜和太空望远镜将能够对恒星宜居带中的系外岩石行星进行直接成像，从而更好地探索和研究距离我们较近的、潜在的宜居系外行星的大气层。假若大气中含有某些关联生命存在的元素，例如氧、甲烷、水蒸气等，那么就可以认定发现了一颗与生命的存在高度相关的星球。

所谓“下一代地面大型望远镜”，包括正在智利阿马索内斯山建设中的39米欧洲极大望远镜、正在夏威夷莫纳克亚山建设中的30米望远镜和正在智利阿塔卡马沙漠建设中的21.4米大麦哲伦望远镜。这3台建设中的望远镜倍受世人的期待。

欧洲极大望远镜的第一批镜片已于2023年12月运抵南美。这架望远镜的主镜直径为39米，由近800块六角形小镜片拼接而成，预计2028年开始运作。一旦完工，它将成为世界上最大的可见光—红外望远镜。

30米望远镜是一台口径为30米的地面光学—红外望远镜，选址于海拔4205米的夏威夷莫纳克亚山，由包括我国在内的多个国家参与建造。30米望远镜的主镜由492块独立的六角镜组成，预计清晰度比现行的大型地面 光学望远镜高10～100倍。天文学家将使用30米望远镜观测恒星、行星和星系，以研究包括宇宙生命在内的宇宙演化的基本问题。

大麦哲伦望远镜又称“巨型麦哲伦望远镜”，原计划 2022年投入使用，但现在仍在建设中。大麦哲伦望远镜的口径为21.4米，主镜由7块直径为8.4米的镜片组成，成像清晰度将达到哈勃太空望远镜的10倍。建成后，除了在探索恒星、星系、黑洞、暗物质、暗能量方面担当重任外，它在研究系外行星方面也颇受期待。

在太空望远镜方面，目前的詹姆斯·韦伯太空望远镜正在探索系外行星方面发挥重要作用。这架太空望远镜的口径为6.5米，是目前口径最大的太空望远镜。但科学家已经有了建造新款巨型太空望远镜的打算，争取在21世纪40年代发射。

探索系外行星，人类经历了一段艰难曲折的过程。带来重大突破的事件发生于1995年，那一年，天文学家首次在太阳系之外发现有行星正围绕一颗像太阳一样的恒星运行。在接下来的4年里，天文学家发现了7 颗这样的星球，此后，类似的发现越来越多，这就是“系外行星”。这些发现引起了很大的关注。正因为这些发现，科学家才更加坚定地认为，行星并非只存在于太阳系中，在我们的银河系中行星是普遍存在的。

在寻找系外行星的初始阶段，利用光谱中谱线周期性的多普勒红移和蓝移是最为可行的方法。这种方法被称为“视向速度法”。因为在当时，用望远镜直接观测系外行星是难以做到的，但观测由恒星的运动引发的多普勒红移和蓝移则可以做到。恒星的这种运动，是由巨大的行星在环绕恒星运行时施加给恒星的引力造成的，这也是早期搜寻系外行星多采用这种方法的主要原因。

接下来，一种被人们称为“凌星”的新方法脱颖而出。从地球的角度观测，当一个天体从另一个天体前方通过时, 就会遮挡那个天体，从而发生凌星现象。所谓“凌星法” 就是根据凌星现象分析恒星亮度的变化，从而发现和观测系外行星的一种方法。2009年3月，一架名为“开普勒”的太空望远镜被送上太空，这架望远镜使用“凌星法” 花费数年时间观测了大约10万颗恒星，发现了大量系外行星。开普勒太空望远镜最善于观测记录恒星表面光线的微弱变化。当有行星经过恒星的表面时，它能敏感地发现恒星的光线变暗了，从而判断这颗恒星周围存在行星。由于开普勒太空望远镜拥有这种本领，它发现了一些和地球有些相似的“类地行星”。这种类地行星都是岩石行星，且和地球差不多大小。例如，开普勒-10b 就是这样的行星，它是人类发现的第一颗系外岩石行星，直径为地球的1.4倍，又是岩石行星，这两点很像地球，所以被认定为“类地行星”。但这颗行星距离它的恒星极近，大约是水星与太阳之间距离的二十分之一，它的表面温度高达 1300℃，公转周期只有0.8天，所以不适合生命存在。

值得一提的是，在寻找较小的行星方面，“引力微透镜法”也很管用。引力微透镜是发生在恒星级天体中的引力透镜现象。当我们观测前后两颗有一定距离的恒星时，后一颗恒星发出的光线经过前一颗恒星时会由于引力作用而发生弯曲，这种弯曲会增加背景恒星（后一颗的恒星）的亮度，形成引力微透镜现象。而行星的扰动则使得这个亮度的增量发生细微的变化。通过仔细测量背景恒星的亮度变化，天文学家就可以判断前一颗恒星的周围是否存在行星。

上述方法都是间接发现系外行星的方法，即通过对发光的恒星进行分析，间接地判断其周围是否存在行星的方法。在此前通行的多种间接探测法中，以“视向速度法”和“凌星法”最为普遍。那么，为什么我们不直接对系外行星进行成像呢？原来，系外行星不发光，相距地球十分遥远，又处在恒星的光芒之下，所以搜寻系外行星就好比在几千米开外去寻找一只在探照灯边飞舞的萤火虫，要对这样的目标进行直接成像是十分困难的。所以，截至目前，人们采用的发现和探索系外行星的主要方法仍然是间接法。

然而，进入新千年之初，科学家使用望远镜直接拍摄到了太阳系以外的行星围绕它们的恒星运行的图景。虽然被拍摄到的行星属于庞大的巨行星，但这仍是一个重大的进步。在这之后，通过直接成像发现的行星也越来越多了。

直接成像的优点在于我们可以直接看出行星的大小，且可以直接研究行星的光谱。然而，从研究系外行星是否存在生命的角度来看，事情并没有那么简单。科学家很想使用望远镜寻找和地球差不多大小、与中心恒星的距离又跟地球和太阳的距离相近的“类地行星”。在恒星的宜居带中，这种行星通常是“生命行星”的候选目标。要直接发现这样一颗行星，要求望远镜在同等条件下能观测比巨行星小得多的物体，而且不会因恒星光线的遮蔽而看不到它们。

要做到这一点已经很不易了，然而这还不够，科学家还想要一架能够研究星光的质量上乘的望远镜。这是为何呢？因为恒星的星光是由多种颜色或波长的光组成的。当星光穿过行星的气体和尘埃时，那些物质中的原子和分子就会吸收特定波长的光，而望远镜上一种名为“光谱仪”的仪器则能显示什么样波长的光被吸收掉了。这就提供了分析行星大气中物质构成的线索。具体地说，当一颗行星拥有大气层，它在“凌星”的时候，后面恒星的星光便会透过大气层中的气体过滤出来。通过观测这种过滤过的星光，一架灵敏的望远镜可以研究行星大气中的物质组成。在这方面，詹姆斯·韦伯太空望远镜比之前的望远镜都拥有更强大的能力。2023年9月，科学家宣布，詹姆斯·韦伯太空望远镜在系外行星 K2-18 b 的大气中探测到了二氧化碳和甲烷。

但有时候，人们无法检测“凌星”时来自恒星的光，科学家只好直接检测来自行星的光了。这种光或者是高温产生的红外光，或者是来自恒星的因反射而产生的可见光。在这方面，詹姆斯·韦伯太空望远镜有可能勉强观测到一些来自行星的红外光，但对于一些处在宜居带中的类地行星，没有更强大的望远镜是无法做到这一点的。科学家很想知道未来的望远镜会有怎样的表现。

为了回答这个问题，一组来自美国俄亥俄州立大学的 天文学家决定预估一下下一代望远镜观察系外行星的能力，方法是运用计算机建模的方式模拟下一代望远镜在运用直接成像方式检测行星的潜在生物特征（例如是否存在氧、二氧化碳、甲烷和水等与生命活动高度关联的物质）时有可能表现出来的能力。科学家选定的目标是现实中围绕红矮星运行的10颗行星，其中GJ 887b 的质量是地球的4倍，被认为是一个“超级地球”。GJ 887b环绕红矮星运行，距离我们约11光年。模拟显示，在观测GJ 887b时，欧洲极大望远镜能够检测其大气中的生物特征气体。此外，欧洲极大望远镜还被认为有能力在系外行星——比邻星 b 和沃尔夫1061c的大气中检测生物特征气体。比邻星b是距离我们最近的系外行星，距地球约4光年，而沃尔夫 1061c 距地球约14光年，它们都是处在宜居带中的系外岩石行星，且相对于其他系外行星而言距离地球很近。

当然，即使将下一代望远镜的能力发挥到极限，它们与人类探索宜居系外行星的要求依然相距甚远。科学家最近建议加快开发口径为8米的下一代太空望远镜，这样的望远镜可以对处在宜居带中的系外岩石行星进行成像，并能更好地分析行星的大气层。

虽然我国在系外行星探测方面起步较晚，但一幅雄心勃勃的蓝图已经绘就。我国科学家计划在未来几年内，向太空发射全新的探测卫星，为人类探索系外行星、寻找地外家园贡献中国力量。根据这个名为“系外行星巡天卫星科学观测” 的项目计划，未来的国产探测器可以搭载多台望远镜，通过“凌星法”和“引力微透镜法”对系外行星开展普查式的巡天探测活动。在这种巡天的基础上，我国科学家会进一步锁定重点目标，寻找真正的系外生命行星，在系外行星探测领域中书写辉煌的中国篇章。

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