摘要：宇宙，这个浩瀚无垠的神秘领域，自古以来就激发着人类无限的好奇心。在这片星辰大海中，我们是否孤独？除了地球，是否还有其他星球孕育着生命？这些问题一直是天文学家探索的焦点。
宇宙，这个浩瀚无垠的神秘领域，自古以来就激发着人类无限的好奇心。在这片星辰大海中，我们是否孤独？除了地球，是否还有其他星球孕育着生命？这些问题一直是天文学家探索的焦点。
1995年，两位瑞士天文学家米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹通过径向速度法在飞马座51恒星周围发现了一颗轨道周期为4.2天的行星，即飞马座51b（51 Pegasi b）。这一发现不仅开启了天文新时代，也为我们探索宇宙的奥秘提供了新的视角。这一开创性的工作为他们赢得了2019年度诺贝尔物理学奖，彰显了系外行星研究的重要意义。
左迪迪埃·奎洛兹，右米歇尔·麦耶
（图片来源：ESO）
什么是系外行星
系外行星泛指在太阳系以外的行星，英语称为extrasolar planet或exoplanet。国际天文学联合会（IAU）在2006年定义的“行星”一词仅包含太阳系，因而不适用于系外行星。不过国际天文学联合会也有涉及系外行星的定义，该定义于2001年颁布并在2003年进行了修改。其表述如下：真实质量低于氘核聚变所需质量下限（对于类似太阳金属丰度的天体，该质量为木星质量的13倍），且围绕恒星或恒星遗骸公转的天体称为“行星”。其质量/尺度下限与太阳系中使用的行星定义的质量/尺度下限相同。
无论形成方式和位置如何，实际质量超过氘核聚变所需质量下限的亚恒星天体称为“褐矮星”。年轻恒星团中质量低于氘核聚变所需质量下限的自由漂浮天体不叫“行星”，而称为“亚褐矮星”（或其它更合适的名称）。实际上，随着新的系外行星的不断发现，该定义也显现出其局限性。有的天文学家建议根据行星形成机制将系外行星和褐矮星以及亚褐矮星区分开来。
系外行星的观测手段
随着技术的进步，人类已经掌握了多种手段进行搜寻系外行星。以下是几种主流的方法：
1、径向速度法（Radial Velocities，简称RV） 也称为多普勒光谱法。
这种方法依赖于观察光谱中的恒星来寻找“摆动”的迹象，因系外行星对宿主恒星的影响，在运行到不同位置的时候，系外行星会向不同的方向拉扯宿主恒星，从而导致这种“摆动”现象。
从本质上讲，径向速度法不在于寻找行星本身的迹象，而在于观察恒星的运动迹象。通过光谱来测量恒星的谱线由于多普勒效应而移位的方式，即恒星的光是如何向光谱(红移/蓝移)的方向变化，这些变化表明恒星正在远离(红移)或转向(蓝移)地球。根据恒星的速度，天文学家可以确定行星系统的存在并计算行星的质量。在凌日法大规模运用之前，一直是人类探索系外行星的最重要的手段。
径向速度法原理
2、凌日法（Transit Photometry） 也称凌星法或掩食法，是一种根据产生凌星现象时分析恒星亮度变化从而推算行星轨道及参数的一种观测方法。
系外行星通常隐没在母恒星发出的光芒中，无法被我们直接观察到。而凌日法是一种间接推断系外行星存在的方法，如果一颗行星从母恒星盘面的前方经过时（这一过程称为“凌”），将会观察到恒星的视觉亮度略微下降。而这颗恒星变暗的程度取决于行星相对于恒星的大小，举例假如母恒星如太阳大小，行星如木星大小，当行星遮挡母星的时候，从地球上观测这个凌日过程，恒星的光变曲线大约会产生一个1%左右的下降，换句话说这相当于其亮度会下降0.01等，如果是类地行星那么这个幅度会更小。
凌日法是目前应用最广泛的观测系外行星的方法，但凌日法也有其局限性，因为凌日法只能确定行星的半径，而无法确定其质量，凌日法发现的候选体，仍需要使用径向速度法来确认质量。
凌日法原理
3、直接成像法（Direct Imaging） 也叫直接影像法，顾名思义就是直接对系外行星进行成像，但由于行星反射的光子太少，加上恒星的掩盖，直接拍摄行星的图象非常困难。这需要行星本身的尺寸要足够大，与母恒星的距离还不能太近到被其光芒掩盖，更重要的是要有一台足够强大且配有日冕仪的望远镜才能办到。
JWST上的NIRCam和MIRI仪器拍到的系外行星HIP 65426b
图片来源：NASA
4、微引力透镜法（Gravitational Microlensing） 是测量恒星光度变化来探测系外行星的一种方法。
引力透镜是爱因斯坦广义相对论预言的一种光学效应。由于时空在大质量天体附近会发生畸变，光线在经过大质量天体附近时会发生弯曲。如果在观测者到光源的直线上有一个大质量的天体，则观测者会看到由于光线弯曲而形成的一个或多个像，这种现象称之为引力透镜现象。如果前景的天体质量较小，光线的偏转也很小，这时产生的多个像将难以区分，视觉效果就是背景恒星的光度有明显的加强。当前景恒星带着系外行星恰好穿过某一背景恒星时，背景恒星的光度会有所增长，在光变曲线上产生一个峰。系外行星的质量相对前景恒星较小，产生的峰也会比较小，但仍可以观测到原先光变曲线的某个位置上又叠加了一个更小的峰。我们便可以通过光变曲线产生的二级峰来确定是否有系外行星的存在。
微引力透镜法原理
除了以上几种最主流的方法外，还有天体测量法、凌日时间变分法、亮度调制法等多种方法，不过这些方法只有一些零星发现，数量稀少。
已发现系外行星半径-周期分布、质量-周期分布
已发现的系外行星统计
截至2024年9月2日，已确认的系外行星总共有7323颗，其中通过凌日法发现的就有4456颗。另外径向速度法发现1273颗，直接成像法发现1051颗，微引力透镜发现308颗。（数据来源：太阳系外行星百科全书 http://exoplanet.eu/）
系外行星的意义与展望
系外行星的研究具有重要的科学价值，它不仅为我们理解行星系统的形成机制提供了宝贵的数据，还为太阳系提供了一个可供比较的对象。发现类地行星，尤其是在恒星适居带内的行星，极大地增加了我们发现地外生命的机会。
随着技术的进步，特别是新一代望远镜如詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的投入使用，我们能够更深入地研究系外行星的大气层，甚至可能直接观测到生命存在的迹象。
此外，系外行星的发现和研究也极大地提高了公众对宇宙的好奇心，促进了科学教育的发展。探索系外行星是一个激动人心的领域，它不仅推动了科学技术的发展，还启发了人们对生命存在可能性的深刻思考。随着观测手段的不断进步，我们期待在未来能够揭示更多关于系外行星的奥秘，并最终回答那个古老的问题：在茫茫宇宙中，我们是否孤单？
来源：大伟聊科学