克卜勒衛星捕捉到眾多多重行星系統

浩瀚宇宙中，地球是唯一具有生命的星球嗎？會不會在銀河系內的某顆星球上，也有個高度文明在凝視著我們？望著繁星點點的夜空，總不免會興起這樣的念頭吧？然而我們看到的星星，除了幾顆是系內行星與人造衛星之外，其實都是像太陽這樣的恆星，上面本來就不可能有生命。要尋找外星生命，我們得把目標放在繞著恆星轉的行星。

問題是，行星本身不會發亮，我們如何看見太陽系外的行星？

的確，即使行星會反光，若非過於微弱，就是被恆星的光遮蔽。因此長久以來，天文學家普遍相信我們不可能發現系外行星。但是1995年，瑞士日內瓦大學的梅爾（Michel Mayor）與奎羅茲（Didier Queloz）卻宣稱在51光年外的飛馬座51恆星發現一顆行星。這是怎麼做到的？

原來行星繞著恆星公轉時，恆星會因行星的重力作用拉扯而產生輕微擺動，影響恆星朝向地球與遠離地球時的速度，而產生不同的光譜偏移。從偏移程度可以推知恆星相對於地球的運動速度，如果速度呈現週期性變化，就表示有行星存在，而且還能推算出行星的質量大小。

不過這個方法除了質量，對行星仍一無所知。不過，1999年11月5日，美國加州大學柏克萊分校在飛馬座中距離地球約150光年處，發現一顆繞行恆星HD 209458的行星，除了知道它的質量是木星的0.7倍（相當於地球的220倍），還知道體積是木星的2.5倍、大氣成分含有氧和碳。

這顆編號為HD 209458b，別名「歐西里斯」（Osiris）的行星是首度以「凌日法」觀測到系外行星。凌日法的原理是：行星軌道若介於母恆星與地球之間，當它橫過恆星表面時會擋住一小部分的光，我們就可以根據恆星發光的減少程度推算行星的體積。而且恆星的光穿過行星的大氣層時，會被其中所含的元素吸收特定頻率的光，而改變光譜，因此可以得知行星的大氣成分。

歐西里斯的發現是尋找系外行星的重要里程碑，因為知道大氣組成有助於更有效率地發現適合居住的星球。至2014年為止已經發現了約一千顆系外行星，而在質量略大於地球的「超級地球」中，擁有大氣層與一定溫度以上的系外行星更被視為尋找外星生命的優先對象，就讓我們拭目以待吧。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

美國航太總署（NASA）所屬的克卜勒衛星（Kepler）以凌日法搜尋系外行星的方式成果卓越，不僅在任務開始的頭4個月就發現1200多顆疑似系外行星的資料，而且其中的408筆資料是在多重行星系統中，也就是說，這個系外行星系統很可能包含了2個以上的系外行星，而這些多重行星系統有很多都與我們太陽系迥異。

克卜勒衛星是利用行星行經母星前方，遮蔽母星而使母星亮度下降的凌日法來偵測系外行星的存在。從母星星光降低的程度，天文學家可估計行星的大小；再從行星穿越母星盤面的時間，可估算出行星繞母星一周的公轉週期。換言之，這種方式必須是行星軌道面幾乎側向地球；而在同一個行星系統中觀測到好幾個凌日行星，代表這些行星的軌道通通得幾乎側向地球。

在我們太陽系中，有些行星的軌道相對於黃道面的傾角高達7度左右。如果有個其他行星系統上的外星天文學家觀察我們太陽系，並無法透過凌日法看到全部8顆行星，尤其是軌道傾角高達7度的水星和高達3.4度的金星。因此相較之下，克卜勒偵測到的多重行星系統，似乎多半比太陽系還扁平，它們的軌道傾角差異多在1度之內。為什麼會這樣？

天文學家認為：其中一個線索在於行星本身。克卜勒衛星發現的多重行星系統，主要都是以比海王星小的行星為主，缺乏木星級的氣體巨行星。科學家相信：氣體巨行星的強大重力，在行星系統剛形成沒多久的階段，會擾亂行星系統，增加鄰近行星的軌道傾斜角。證據之一是其他研究已找到許多有氣體巨行星的行星系統，但這些行星系統不像克卜勒衛星找到的那樣扁平。

多重行星系統可能提供一個機會，讓天文學家得以確認那些體積較小的岩質行星的密度。行星質量愈大，利用徑向速度法（radial velocit）偵測到的機會愈大，也就是說，它們的重力拉動母恆星、使母星位置變動的情形會更明顯。但類似地球體積、地球軌道的系外行星，其質量不足以拖曳母星、使它的位置變動大到現代科技得以偵測的地步。

在那些有一個以上凌日行星的系外行星系統中，天文學家可以從另一方面來檢測行星狀態，就是凌日時間的變動。各個行星從母星前方通過所需的凌日時間，其實會因彼此間的重力交互作用而稍有變動，變動量的大小就與這些行星的質量有關。克卜勒衛星觀測到得多重行星系統，許多都有這樣的凌日時間變動現象。

目前克卜勒衛星仍持續收集資料中，它可以觀測到距離母星較遠的寬軌行星，其中有些還剛好位在其母恆星的適居區（水能以液態存在的區域）中。而凌日時間變動在確認岩質行星工作上，可能是個關鍵；如果這些岩質行星又恰好位在適居區中，那麼這些岩質行星的表面或許就有對生物生存很重要的液態水存在。

資料來源：Kepler’s Astounding Haul of Multiple-Planet Systems, 2011.05.23, KLC

本文引用自臺北天文館之網路天文館網站

(Kepler-37系外行星家族與其他太陽系行星的大小比較。圖出處:NASA)

文 / WhyJ

天文學界搜尋系外行星的競賽在一般人的眼中看起來可能很有趣：找到越小的系外行星，代表你或你的研究團隊越厲害！筆者推測，Kepler-37b這顆NASA在今年二月宣布發現的比水星還小的系外行星，應該可以讓他們炫耀好一陣子吧。

從第一顆系外行星被發現以來，至今雖然未滿20個年頭，但在這短短的時間內，進展可謂一日千里。從剛開始只能探測比木星還要大好幾倍的氣體巨星，逐漸地增加探測下限，世界各國的研究者都在絞盡腦汁思考如何能探測更小的行星，尤其是像太陽系內類地行星的這種大小，更是天文學家亟欲搜尋的熱門焦點。

近幾年來，觀測技術與儀器的進步終於讓我們以大海撈針的搜索方式找到了跟地球大小差不多尺寸的系外行星，例如NASA在2009年發射的克卜勒太空望遠鏡，就是專門用來執行搜索系外行星的任務。而它也不負眾望，到目前為止竟然已經發現了2740顆可能的系外行星！其中有些甚至是同一顆恆星具有許多衛星，儼然已經是「另一個太陽系」。

這次的主角Kepler-37，也是克卜勒太空望遠鏡所調查的一顆恆星。今年二月Barclay等人新出爐的研究指出，在Kepler-37的光度隨時間變化的曲線中，存在著因為行星運行至恆星前面，而造成恆星的光度短暫下降，並週期性重複的現象。這種方法稱為「凌日法」，是目前探測與地球大小相當的系外行星的少數辦法之一。由於行星越小，凌日時能夠遮掩恆星的部分越少，觀察到的光度下降量就越低，因此越難偵測。但如果反過來思考，只要知道恆星的光度下降量，就可以回推系外行星的精確大小。經過計算後，Kepler-37有三個行星，分別為Kepler-37b, -37c與-37d，而他們的相對大小如圖所示。

發現了嗎? Kepler-37b比水星還要小，跟月球的尺寸相當。這發現可謂意義重大：如果有個一模一樣的「太陽系」在遙遠的深空彼端，科學家終於有能力把裡面的成員一一揪出來了! 雖然對外星生命的狂熱者來說，因質量太小而不太可能有大氣或海洋存在的Kepler-37b可能是個令人失望的行星，但Barclay等人的論文中倒是有句宣示意味濃厚的結語：「以後這種大小的行星一定會越找越多!」，看來系外行星探索的任務，還真是令人期待。

參考資料：

• NASA’s Kepler Mission Discovers 461 New Planet Candidates. NASA [01.07.2013]
• Barclay et al. (2013), A sub-Mercury-sized exoplanet. Nature 494, 452-454.

2012年系外行星界的最大新聞或許是從克卜勒太空望遠鏡（Kepler）釋出的觀測資料，發現銀河系中的地球級岩質系外行星相當普遍，很可能每顆恆星旁都至少有一顆這樣的岩質行星。但對於大一點、那些所謂的「熱木星（Hot Jupiters）」—與我們太陽系中的木星類似且非常靠近母恆星的氣體巨行星，有最新研究顯示：與那些小型的岩質行星相較之下，這些熱木星或許是稀有品種。

由於熱木星質量大且靠近母恆星，對母恆星的重力擾動比較容易偵測得到，因此事實上天文學家最先發現的系外行星就是熱木星，這種偵測方式稱為「徑向速度法（radial velocity method）」；後來才因克卜勒任務的關係而陸續偵測到小型岩質行星。加州理工學院（Caltech）天文學家John Johnson等人，分析克卜勒太空望遠鏡的觀測資料後卻發現：木星級的大型氣態行星並沒比地球級的小型岩質行星容易偵測到。

克卜勒太空望遠鏡是以「凌日法（transit）」來偵測系外行星，也就是行星經過恆星前方時，會使恆星亮度稍微下降的現象。不過，Johnson等人小心分析比較克卜勒所偵測到的熱木星凌日資料，與地面望遠鏡以徑向速度法偵測到熱木星的發現率，結果發現克卜勒資料中所發現的熱木星比例低到不可思議的地步。

對於這個異常現象可能的解釋之一，是這些熱木星必須在特定的恆星周圍才能成長。當一顆恆星形成後，其誕生地殘餘的氣體塵埃雲中所含有的重元素比例有的高、有的低。有個理論認為：重元素含量（即所謂的「金屬豐度，metallicity」）較高的恆星比較容易形成類似木星的氣體巨行星。

Johnson表示：徑向速度法所搜尋的恆星絕大部分都在太陽附近。我們可能恰好處在銀河系一個金屬豐度比較高的部分，因此在太陽鄰近區域搜尋到的熱木星比較多。相對的，克卜勒任務所偵測的恆星範圍廣泛，並不侷限在太陽鄰近區域，由此可知，熱木星的數量可能並不如先前認為的那樣普遍。

Johnson等人目前計畫嘗試要在克卜勒任務觀測的天區進行系外行星金屬豐度的測量，看看它們的金屬豐度是否比較低。測量結果或許就可以解釋為何克卜勒任務所發現的熱木星級系外行星比預期中還少的狀況，並證實我們太陽系是否真的恰好處在銀河系中金屬豐度比較高的區域。更甚者，如果木星級系外行星真的比認為的還要稀少，那麼我們的太陽系或許就是個「不正常」的行星系統。

資料來源：Where are the giants? NASA JPL [August 08, 2012]

轉載自 網路天文館