遥远世界的故事：系外行星是如何被发现的

摘要：16世纪有这样一位致力于寻找宇宙中其他行星的信徒，他在自己的著作《论无穷、宇宙和诸世界》中这样写道：“宇宙中存在无数颗太阳，也有无数颗地球绕它们旋转，与我们所处的星系别无二致……这些世界的生存环境不会比我们的地球差”[1]。由于挑战了教廷的权威，这位异端思想的

16世纪有这样一位致力于寻找宇宙中其他行星的信徒，他在自己的著作《论无穷、宇宙和诸世界》中这样写道：“宇宙中存在无数颗太阳，也有无数颗地球绕它们旋转，与我们所处的星系别无二致……这些世界的生存环境不会比我们的地球差”[1]。由于挑战了教廷的权威，这位异端思想的扩散者在1600年被烧死在罗马的鲜花广场上，他的名字叫布鲁诺。

图1. 乔丹诺-布鲁诺（1548-1600），意大利多米尼加修士、哲学家、数学家、诗人和占星家。图源：Meisterdrucke

在今天看来，布鲁诺的思想无疑是十分正确且超前的，因为直到30多年前，人类才真正具有发现太阳系外行星的技术能力，而系外行星在银河系中的确普遍存在，则是系外行星领域的功勋——Kepler望远镜在10年前告诉我们的故事。Kepler望远镜采用的是凌星法（Transit Method）这一当前发现系外行星最主流的方法：迄今为止已确认的5787颗系外行星中有75%都是通过凌星法探测到的[2]。

凌星法的基本原理如图2所示，当一颗行星从地球的观测视角穿过母恒星前方时，会短暂遮挡部分恒星光，导致恒星亮度出现极其微弱的下降。这种亮度变化的幅度由行星半径与恒星半径的平方比决定，通常微小到难以察觉。以地球凌日为例，此时太阳光度的变化甚至比蚂蚁爬过汽车前灯引起的变暗还要小 7 倍。但天文学家通过精密的光学仪器持续监测恒星亮度变化（这种对恒星亮度的观测被称为光变曲线），捕捉到这种微弱的周期性光变现象，就可以推断出行星的存在。

图2. 凌星法的基本原理。图片来源NASA Ames

凌星法不仅能确认行星，还能提供其轨道周期、大小，甚至部分大气成分等信息。例如，行星遮挡恒星光越多，意味着行星的半径越大；而光变周期则揭示了行星的轨道周期。由于凌星法能探测到如此微弱的光变信号并从中提取出丰富的信息，它成为当前最有效的系外行星探测手段之一。本文就带大家梳理天文学家是如何通过发掘凌星光变曲线中隐藏的信息，见微知著，探索多彩的系外行星世界。

轨道潮汐衰变

轨道潮汐衰变是一种将轨道上的天体逐渐拉近的过程，仿佛宇宙中的一场缓慢拔河。在恒星周围运行的行星会受到引力不对称的影响，导致轨道上的能量逐渐消耗。随着时间的推移，这种能量损失会让行星的轨道逐渐向恒星螺旋式地靠近。如图3所示，在数百万年里，这种向内的螺旋运动可能最终以剧烈的碰撞或者较小天体的解体收场。

图3. 关于WASP-12b的艺术想象图，作为人类已知的首个轨道正在逐渐潮汐衰减的行星[3]，这颗超热木星正在经历“蒸发”过程——它的气体被恒星逐渐吸引和吞噬。预计在几百万年内，WASP-12b将完全被撕裂并消失在母恒星之中。图源: NASA/ESA/G. Bacon

天文学家会使用精密的望远镜长期监测系外行星的凌星事件，记录每次凌星发生的时间。如果观察到凌星间隔有规律地缩短，这可能表明行星的轨道在不断向母恒星靠近，这是潮汐衰变的标志。这种轨道周期的逐渐变化通常非常微小，只有通过多年甚至数十年的精确观测才能检测到[4]。观测数据也会与模型进行对比，确定是否是潮汐力而非其他因素（如其他行星的引力干扰）导致了周期变化。通过精确测量轨道周期的变化，科学家可以估算潮汐衰变的时间尺度，从而深入理解潮汐震荡的复杂机制。

自转扁化和潮汐形变

我们知道地球实际上是一个扁椭球体。当行星自转时，赤道区域受到的离心力最大，使赤道物质被“甩”得更远，造成赤道区域隆起，而两极则相对收缩，行星变成一个扁椭球形。行星的扁率（oblateness）与自转速度呈正相关，而行星的自转速度则与其形成历史和演化过程密切相关：

行星最初在吸积盘中由气体和尘埃聚集而成，这些吸积的物质带来了角动量，使原行星开始旋转。根据角动量守恒原理，随着物质向中心聚集，自转速度会加快。就像滑冰运动员收紧手臂时旋转加快一样，行星的自转也会随着吸积增加而加速。此外，在行星形成的早期阶段，行星胚胎与其他小天体之间的频繁碰撞也会影响自转速度和方向。这些碰撞可能使行星自转加快或减缓，甚至改变自转轴的倾斜角度。研究行星的扁率能够为我们揭示这些行星早期形成和演化的细节。

与月亮对地球造成的潮汐现象类似，造成行星偏离标准球形的因素还包括潮汐形变（tidal distortion）。当一颗行星距离母恒星非常近时，恒星的强大引力会在行星的近端和远端施加不同的拉力，从而将行星沿着恒星方向拉成椭球形。

潮汐形变的程度会随着行星与恒星的距离缩小、行星半径增大而变得更加显著。尤其是在气态的类木行星中，由于它们的密度和粘性较低，比岩质的类地行星更容易被拉伸、变形。通过分析这些行星的潮汐形变，天文学家可以推测出行星的内部结构，例如是否有致密的核心或稀疏的外壳层。这种分析在我们无法直接观测行星内部的情况下尤为重要，为探索系外行星的形成、物质分布和长期演化提供了关键的线索。

图4. 相比于标准球形，行星行星自转扁化（左图）和潮汐形变（右图）在凌星光变曲线上造成的差异。这一特征主要出现在行星进入（ingress）和离开（egress）恒星盘边缘的阶段。图源：PNAS

结语

如今，人们在鲜花广场上树立了一尊布鲁诺的雕像，以纪念这位为真理而殉身的先驱。值得欣慰的是，人类对“诸世界”的探索从未停止。上个月13日，SpaceX 的“星舰”在第5次试飞中成功回收了一级助推器，标志着低成本、大载荷航天时代的来临。未来，大型空间望远镜的发射或许将不再是遥不可及的梦想。

天文技术的飞跃不仅让我们能够探测到更多的系外行星，还使我们有机会研究它们的大气成分，寻找潜在的宜居环境，甚至搜寻生命存在的迹象。从发现凌星信号到解析行星大气中的水和甲烷等分子，我们正逐步将布鲁诺的猜想变为科学。在这段探索行星世界的壮丽旅途中，人类也在不断挑战着认知的边界：我们不仅在探寻宇宙中的第二个“地球”，更在重新定义自己在宇宙中的位置。或许正如布鲁诺所相信的那样，“诸世界”之间的联系远比我们想象的更深远，而每一次凝望星空的探索，都让我们离真理更近了一步。