行星

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太阳系的行星和矮行星。图中唯大小依照比例,距离未依比例
水星,太阳系八大行星之一
金星,太阳系八大行星之一
地球,太阳系八大行星之一
火星,太阳系八大行星之一
木星,太阳系八大行星之一
土星,太阳系八大行星之一
天王星,太阳系八大行星之一
海王星,太阳系八大行星之一。旅行者二号星际探测器在1989年7月拍摄的照片。海王星大气层的甲烷优先吸收了红色光束,使得整个星球呈现蓝色

  行星汉语拼音:Xingxing;英语:planet),通常指自身不发光,环绕着恒星天体。其公转方向常与所绕恒星的自转方向相同(由西向东)。一般来说行星需具有一定质量,行星的质量要足够的大(相对于月球)且近似于圆球状,自身不能像恒星那样发生核聚变反应。2007年5月,麻省理工学院一组太空科学研究队发现了已知最热的行星(摄氏2040度)。远在古代人们就注意到,在天穹上除太阳和月球外,还有5颗明亮的星也不断地穿行于众多星辰之间,遂将彼此之间的相对位置几乎永不改变的星称为恒星,而将时时变化方位的金星木星水星火星土星这5颗星称为行星。

  随着一些具有冥王星大小的天体被发现,“行星”一词的科学定义似乎更形逼切。历史上行星名字来自于它们的位置(与恒星的相对位置)在天空中不固定,就好像它们在星空中行走一般。太阳系内肉眼可见的5颗行星水星、金星、火星、木星和土星早在史前就已经被人类发现了。16世纪后日心说取代了地心说人类了解到地球本身也是一颗行星。望远镜被发明和万有引力被发现后,人类又发现了天王星海王星冥王星(2006年后被排除出行星行列,2008年被重分类为类冥天体)还有为数不少的小行星。20世纪末人类在太阳系外的恒星系统中也发现了行星,截至2013年7月12日,人类已发现910颗太阳系外的行星。

  2006年国际天文学联合会(IAU)第26届大会通过了一个《行星定义》,凡满足以下三个判据的天体定义为行星:①绕日运行;②近球形状;③轨道清空。满足①、②两个判据且不定卫星的天体定义为矮行星;仅满足①一个判据的天体定义为太阳系小天体。根据上述《行星定义》,太阳系共有八个行星,即水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。

  人类对行星的认识和研究可以追溯到遥远的古代,例如在中国甲骨文里就有关于木星的记载。战国时期有了“五星”的说法,即:辰星、太白、荧惑、岁星、镇星(或填星),它们是这五颗行星在古代更为通用的名称。以后又有“五行”、“游星”、“惑星”以及把日、月和五星合称为“七曜”。在古代西方,五大行星很早就以神话人物的名字来命名。

行星的定义

  行星定义直到2006年8月24日才有了一个比较明确且可以被接受的文字叙述。在这之前,仅管行星一词已经被使用了数千年,但令人惊讶的是,科学界始终没有给过行星明确的定义。进入21世纪后,行星的认定成为一个备受争议的主题,这才迫使天文学界不得不为行星做出定义。

  数千年来,“行星”一词只被用在太阳系内。当时天文学家尚未在太阳系以外发现任何行星。但从1992年起,人类陆续发现了许多比海王星更遥远的小天体,而且其中也不乏与冥王星大小相当者,这使得有资格成为行星的天体由原有的9颗增加至数打之多。1995年,科学家发现了第一个太阳系外行星飞马座51。之后,陆续发现的太阳系外行星已经有数百颗之多。这些新发现不仅增加了潜在行星的数量,且由于这些行星具有迥异的性质──有些大小足以成为恒星,有些又比我们的月球还小──使得长久以来模糊不清的行星概念,越来越有明确定义的必要性。

  2005年,一颗外海王星天体,阋神星(当时编号为2003 UB313)的发现,使得对行星做明确定义的必要性升至顶点,因为它的体积比冥王星(在当时是已被定义为行星的天体中最小者)还要大。国际天文学联合会(IAU),由各国的天文学家组成负责为天体命名与分类的组织,在2006年对此问题做出了回应,发布了行星的定义。依据这最新的定义,行星是环绕太阳(恒星)运行的天体,它们有足够大的质量使自身因为重力而成为圆球体,并且能清除邻近的小天体。未能清除轨道内小天体的则被纳入一个新创的分类,称做矮行星。除了以上两类,其他围绕太阳运行的天体则被称为“太阳系小天体”。

  按照以上定义,太阳系有八个行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星,而冥王星被排除在外。至2007年7月为止,已获承认的矮行星则有冥王星、谷神星和阋神星,2008年7月才增加了第四颗鸟神星,又于同年9月增加了第五颗妊神星。但国际天文学联合会的这项决议并无法弭平所有争议,部分

第26届国际天文联会中国代表的译稿

  2006年8月24日星期四晚在布拉格召开的国际天文学联合会已就行星和太阳系中的其它天体做出了最后的定义。以下是最终决议:

  现代的观测正在改变着我们对行星系统的认识。天体的命名应当反映这些最新的知识,这一点特别适用于行星这个名词。名词“行星”源自描画“漫游者”,那时只知道它们是天空中移动的光点。最近的发现使我们能用新得到的科学信息创建新的定义。

  IAU决议把行星和太阳系中的其它天体定义为如下不同的三类:

  (1)行星(planet)(注1)是一个具有如下性质的天体:
  (a)位于围绕太阳的轨道上,
  (b)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球形),以及
  (c)已经清空了其轨道附近的区域。

  (2)“矮行星”(dwarf planet)是一个具有如下性质的天体:
  (a)位于围绕太阳的轨道上,
  (b)有足够大的质量来克服固体应力以达到流体静力平衡的形状(近于球形)(注2)
  (c)还没有清空了其轨道附近的区域,以及(d)不是一颗卫星。

  (3)其他所有围绕太阳运动的天体(注3)被定义成“太阳系小天体”(small solar system bodies)。

  注1:八颗行星是:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。
  注2:IAU将建立一个程序对接近“矮行星”和其他分类边界的天体进行评估。
  注3:目前这些天体包括绝大多数的太阳系小行星(asteroid)、绝大多数的海外天体(TNO)、彗星和其他小天体。

  IAU进一步决议:
  根据上述的定义冥王星(Pluto)是一颗“矮行星”,并且被认定成新一类海外天体的原型。(twg)

行星的名称及来历

  在中国,根据西汉《史记、历书》记载“黄帝考定星历,建立五行,起消息(修正历法,订出正月起始)。”

  《尚书·舜典》:“在璇玑玉衡以齐七政。”孔颖达疏:“七政,其政有七,于玑衡察之,必在天者,知七政谓日月与五星也。木曰岁星,火曰荧惑星,土曰镇星,金曰太白星,水曰辰星。

  在西方,行星(planet)一词首见于古希腊语,指在固定的星空中游荡的天体(asteres planetai)。这不仅包含当时已知的五个目前被认为是行星的天体(水星、金星、火星、木星和土星),也包含太阳和月亮。但是,在当时已经使用五大和七大这样的修饰词来指明是否包含太阳和月亮,因为行星一词在当时就有歧义。

  在日心说取代地心说成为被普遍接受的天文学理论时,太阳不再被列为行星,而地球替代了它的名额。在1610年伽利略发现木星的卫星(史称伽利略卫星)、1659年发现土星的卫星泰坦、1673年又发现土卫五(Rhea)和土卫八(Iapetus)之后,月亮也被从行星中除名。但是这些新发现的土星和木星的卫星最初也被称为行星,因为卫星一词(moon)当时只被用来称呼月球。

  在1781年,天文学家威廉·赫协尔于搜寻双星时,在金牛座中发现一颗他认为是彗星的天体,当时他没有想到这个天体会是一颗行星。因为完美的宇宙中只有五颗行星的观念深植在当时的科学界中。但是,不同于彗星的是,这个天体以接近圆的轨道在黄道面上绕着太阳。最后,这个天体成为太阳系的第七颗行星,并被命名为天王星。

  1846年海王星的发现,是由于造成天王星轨道不规则的变化,科学家认为这是由于天王星外尚有其他行星,其引力造成的天王星轨道的扰动。但海王星轨道的计算位置也与观测位置不能符合,这导致了1930年冥王星的发现。后来发现冥王星的质量太小,不足以造成海王星的轨道扰动,但航海家2号测量的结论是海王星的质量被高估了。

  冥王星的一些特征不同于旧有的行星:轨道不能被视为圆形、质量不足以造成轨道摄动、而且不在黄道面上。天文学家因此开始思考如何给行星一个定义。

太阳系内的行星

  由于1801年元旦被意大利天文学家皮亚齐发现谷神星时,曾依据“提丢斯─波得定则”来定义它为行星,但后来以望远镜观测看不到视圆面,以此定其直径比月球还小,在1802年起短短六年间,相继发现类似轨道之三颗小行星,在18年纪的首数十年间曾同时并列在行星之列(在1850年曾出现18颗行星的纪录),至1847年发现5号小行星“义神星”后,欧洲天文学家始为该组陆续发现之小天体另外归类为“小行星”,以“行星爆炸论”为由把该组小行星降格为与彗星、行星卫星的一类统称为“小行星”(minor planets)并沿用至今。

  而1930年发现冥王星后,太阳系的行星被约定俗成为9颗(亦即九大行星),但经测定,其质量、直径、偏心率相对其它八颗相距甚远,根本不能称为“大行星”,而自1992年起陆续发现冥王星外与冥王星相若的天体;1999年初,有传媒报道部分天文学家曾提倡把体积与其他行星相比较悬殊的冥王星剔除太阳系之列,IAU曾为此于该年2月5日澄清并无此事,但社会与科学界亦开始讨论冥王星应否列入行星与一直只被约定俗成的行星定义。而此时亦开始陆续发现多颗在库伯带内绕太阳公转的天体。

  自2005年7月公布发现冥外天体阋神星(当时暂称“齐娜”)以后,因其比冥王星直径还大,以往曾闹得沸沸扬扬的“十大行星”的话题亦甚嚣尘上,为此IAU在2006年初组织“行星定义委员会”,因为更动名字将会影响至所有相关科学书籍、百科全书、中小学教科书以至相关设备带来更动,因而社会十分重视。

  2006年8月24日在捷克首都布拉格举行之第26届国际天文学联会上的定义,初时曾提出包括阋神星、冥卫一与谷神星的十二行星,但争议与反响颇大,亦引起天文爱好者与民间热烈讨论;至8月24日下午第26届国际天文学联会上的定义:太阳系有八颗行星(决议时曾出现“经典行星”一词,指的也是这八颗),分别为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星与海王星。质量不够的将会被IAU会议决议归类为矮行星(如冥王星)或太阳系内小天体(如小行星、彗星等)。   

  • 以行星表面岩质划分
    • 类地行星(又称“岩质行星”)──即水星、金星、地球和火星,表面是岩石固体。
    • 类木行星(又称“气体行星”)──即木星、土星、天王星和海王星,主要成分是气体。  
  • 以行星视运动规律划分(此分类方法因以地球为界,故必会忽略地球)
    • 内侧行星─太阳系中地球轨道内侧的行星,包括水星与金星。
    • 外侧行星─太阳系中地球轨道外侧的行星,包括火星、木星、土星、天王星、海王星。

其它恒星系的行星

  至2009年2月,人们在其他恒星身上一共发现了339颗系外行星,不少均拥有比木星高的质量。也有一些行星,其体积比较小,例如脉冲星PSR B1257+12、天琴座μ星、巨蟹座55及GJ 436均各自拥有与地球差不多质量的小型行星,而Gliese 876一颗达地球质量6至8倍的行星,可能拥有岩石结构。

  人们对新发现的大型系外行星仍未完全了解,大多估计其物质构成与太阳系的大型行星类似,又或是从未见过的大型氨行星或碳行星。值得注意的是,一些大型行星在极接近恒星的地方公转,拥有近乎完美的圆形轨道,这些行星被称为“热木星”,它们比太阳系的大型行星接受更大量的太阳辐射,造成其表面温度极高。也有一种热木星,其大气会被恒星的热力逐步蒸发并流失,并以彗尾形态释出,它们被分为Chthonian型行星。

  太阳系外行星 (Extrasolar planet) 是环绕其他恒星公转的行星,长久以来,人们认为其他恒星和太阳一样,均有行星环绕其恒星公转,但一直未能证实。直至1992年PSR B1257+12被证实以来,至今已有百多个太阳系外行星被发现。这些发现增加了对外星人存在与否的问题提出了支持的观点。

  现时在其他恒星发现的行星大多是类似木星的气体行星,有的质量甚至比木星还要大。质量较小的行星有脉冲星PSR B1257+12的三颗与类地行星相若的天体,以及位于天坛座μ星的一颗有14个地球质量的行星。

  也有一种行星,没有围绕特定的恒星公转,它们像是宇宙的流浪客,称为星际行星(Interstellar planet)。现时人们并没有发现任何此类行星,只能靠使用电脑模拟来推测。

  现时人类的科技仅能侦测质量较大、公转周期较短的行星。但随着科技的进步,更强的望远镜得以建造,在未来可望能发现更多质量较小及公转周期较长的行星。

研究历史

  从古典时代的神圣的游星演化到科学时代的实在的实体,人们对行星的认识是随着历史在不停地进化的。行星的概念已经不仅延伸到太阳系,而且还到达了其他太阳系外系统。对行星定义的内在的模糊性已经导致了不少科学争论。

古典时代

  古人观察星空,发现天体分作两类:一类固定在天球上,组成各个星座,形成一幅永恒的天空背景,称之为恒星;另一类天体在黄道附近运行,不断穿过黄道上的十二个星座,称之为行星。这些行星包括七颗,分别是太阳和太阴(月球),以及金木水火土五个肉眼可见的经典行星。它们在天空中极为特殊:一方面,它们不断运行,不断进入不同的星座;另一方面,它们极为明亮,全天成千上万颗星体中,七颗行星亮度分别排行第1,2,3,4,5,6,9。他们对神学、宗教宇宙学和古代天文学都有重要的影响。在古代,天文学家记录了一些特定的光点是相对于其他星星如何移动跨越天空。古希腊人把这些光点叫做“πλάνητες ἀστέρες”(即planetes asteres,游星)或简单的称为“πλανήτοι”(planētoi,漫游者),今天的英文名称行星(planet)就是由此演化出来的。在古代希腊、中国、巴比伦和实际上所有前现代文明中,是人们几乎普遍的相信,地球是宇宙的中心,并且所有的“行星”都围绕着地球旋转。会有这种认识的原因是,人们每天都看到星星围绕着地球旋转,而且看起来好像是常识的认为,地球是坚实且稳定的,应该是静止的而不是会移动的。

日心说时代

  日心说确立了太阳在天空中心的地位,太阳不动而地球在运行,因此地球就取代了太阳的地位成为行星,太阳则被归入恒星。

  卫星的概念在稍后也随着伽利略卫星的发现逐渐被接受,有一个短暂时期,这些卫星都被认为是行星,很快行星被限定必须直接围绕太阳运行,因此月球也被排除在行星行列之外。

  最终,日月金木水火土七大行星变为地金木水火土六大行星。

新发现时代

  1781年,第七颗行星天王星被发现;

  1801年,谷神星被发现,有长达49年之久的时间被称为第8颗行星;

  1846年,第八颗行星海王星被发现;

  1930年,冥王星被发现,有长达76年之久的时间被称为第9颗行星;

  新时代发现新的大行星,同时也发现新的绕日运行的较小天体。1850年,谷神星因尺寸太小,且发现一系列更小的同类型星体,其行星地位被免除,同时行星的定义出现一个不成文的概念:并非所有直接绕太阳公转的天体都是行星,行星必须足够大且卓尔不群。20世纪发现的冥王星与谷神星的地位非常相似,它也因尺寸太小,且发现一系列更小的同类型星体(还包括一颗较大的同类型星体阋神星),而于2006年被降格为矮行星。冥王星的行星地位之争,把原有不成文的概念确立成准确定义:直接绕太阳公转、流体静力平衡(足够大)、清空其轨道(卓尔不群)。

太阳系外时代

  虽然我们无法通过天文望远镜直接观测系外行星,但通过间接手段,包括观测恒星运动、掩星等等,天文学家已发现数百颗太阳系外的行星。

行星概观

最古老的行星:“M4”的星团内行星

“M4”的星团内行星,位于球状星团M4的核心处,围绕着白矮星和脉冲星(左下方两个亮点)转动,这两颗天体曾经分别是恒星和中子星

  2003年,天文学家发现了一颗寿命为127亿年的行星,这也是迄今为止人类所知的最古老行星。这颗气状行星大小与木星相当,质量相当于木星的2.5倍,处于代号为“M4”的球状星团核心区域附近。该星团包含的恒星数量在10万颗以上,位于距地球约5600光年的天蝎星座。

  这颗行星的年龄是地球以及其他所知行星的两倍,几乎与宇宙“同岁”。它围绕由一颗脉冲星和一颗白矮星组成的双星系统运转。最初,科学家在定义它的身份时,存在诸多争议,后来还是在“哈勃”望远镜的帮助下,科学家们才精确地推算出它质量仅为木星的2.5倍,用恒星或褐矮星的标准来衡量都显得太小,只能是一颗行星。

  值得一提的是,这颗行星几乎是气体的,上面没有生命存在,因为它围绕的是一颗垂死的恒星,无法向地球一样接收到生命所需的光和热。然而这颗行星的早年是在类似太阳的年轻恒星身边度过的,所以它很可能曾经是另一个地球,当我们的太阳甚至还没有亮起来的时候,它已经存在了孕育生命的机会。

  正是基于它的发现,科学家们也不得不重新考虑行星形成的时间和方式,以及生命形成的时间。

最年轻的行星:金牛座内行星

  美国航天航空局2004年对外宣布,他们发现了一颗形成不超过一百万年的“婴儿”行星。这颗行星很可能是目前已知的所有行星中最为“年轻”的。

  这颗“婴儿”行星大约诞生在100万年前,属于距地球420光年的金牛座,并围绕着一颗年龄与之接近的恒星公转。目前研究人员已经发现了100多颗太阳系外的行星,但这些行星基本都在10亿岁以上。而我们生活的地球则有45亿岁,已经进入中年。

  说起这颗行星的发现,过程颇为有趣。天文学家最初利用“斯皮策”红外线望远镜对金牛座5颗恒星进行观察。科学家在金牛座“CoKu4号”恒星周围的灰尘带发现了一个类似炸面圈的洞,尘埃盘上发现一个环状区域没有尘埃。专家们根据目前通行的行星形成理论推断,这可能意味着该处的尘埃物质已经聚集形成了一颗行星。这颗行星可能是通过把周围的灰尘凝聚在一起而产生的。

最受注目的行星:火星

  提起火星,人们总会联想到科幻电影里的外星人。或许是因为火星在太多电影和小说中充当主角,人们在现实生活中也对火星的探测活动充满了期待。40多年来,前苏联、美国、日本和欧洲共计划了30多次火星探测,尽管其中2/3的活动以失败告终,但科学家期望在火星上寻找生命迹象的热情却从未因此而减退。

  火星是太阳系九大行星之一。除金星以外,火星离地球最近。与地球相比,火星的质量比地球质量小1/9,半径仅为地球半径的1/2左右。但火星在许多方面与地球较为相像。

  火星是唯一能用望远镜看得很清楚的类地行星。通过望远镜,火星看起来像个橙色的球,随着季节变化,南北两极会出现白色极冠,在火星表面上能看到一些明暗交替、时而改变形状的区域。空间探测显示,火星上至今仍保留着大洪水冲刷的痕迹。科学家推测,火星曾比现在更温暖潮湿,可能出现过生命。

最大的行星:“TrES-4”

TrES-4,图注:红矮星Gliese 581的三颗行星模拟图,图中最显著的为“581c”,蓝色的为“581b”,而最远处红色的为“581d”

  “TrES-4”是天文科学家日前最新发现的一颗行星,也是迄今为止人类发现的宇宙中最大的一颗行星。在距离地球约1435光年外的太空围绕一颗恒星转动。它的直径估计是太阳系最大行星——木星——的1.7倍,体积接近于木星的2倍,表面温度高达1327摄氏度,是一颗主要由氢气组成的巨大球体。

  令科学家啧啧称奇的是,“TrES-4”的体积足足有地球的20倍,但密度却低得惊人。它的密度只有0.2克每立方厘米,如同一种轻质木材,与岩石构造、密度高达5.52克每立方厘米的地球相比相去甚远。正是因为其密度低,这颗行星对其外部大气的吸引力相对较弱,因此一些大气可能逃逸了出去,形成了彗星状的拖尾。

  不仅如此,这颗星球上可能还是个松软的“棉花球”,无法提供一块坚硬的表面,一旦重物踏上去可能就有陷进去的危险。追究其原因,连科学家也解释不出所以然。

最具居住条件的行星:“581c”

  地球是宇宙中人类唯一能栖居的星球吗?这个困惑推动着天文学家不断望向宇宙深处。科学家宣布首次在太阳系外发现了一颗可能适合人类居住的星球,它的温度、体积估计与地球相似,而且还可能有液态水。这一发现被认为是“搜寻宇宙生命的一个重要里程碑”。

  这颗新发现的行星被命名为“581c”。它围绕着一颗叫Gliese581的红矮星运转。红矮星是一种低能量的、体积较小的恒星。红矮星发射暗弱的红光,比太阳持续存在的时间长。Gliese581的质量是太阳的1/3,亮度只有太阳的1/50。

  “581c”上温度适宜,平均温度在0到40摄氏度之间。它是迄今发现的一颗最小行星,也是第一颗位于母星可居住地带的行星,因此增加了它表面存在液态水甚至生命的可能。

最靠近地球的行星:金星

  天亮前后,东方地平线上有时会看到一颗特别明亮的“晨星”,人们叫它“启明星”;而在黄昏时分,西方余辉中有时会出现一颗非常明亮的“昏星”,人们叫它“长庚星”。这两颗星其实是一颗,即金星。金星是太阳系的八大行星之一,按离太阳由近及远的次序是第二颗。它是离地球最近的行星。

  尽管是地球的“近邻”,人类对于金星的了解却并不比其他行星多。金星有可能是太阳系行星中最热的一颗,表面平均温度达到了470摄氏度。那里没有水,大气中95%都是二氧化碳,而且浓密的云雾和二氧化碳使金星上的温室效应让人窒息。

  炎热、昏暗,一片荒漠且充满了暴风,气压比地球上高出100倍,金星的诸多特征使得科学家们的探测工作困难重重。然而围绕在金星上的诸多谜团,比如金星的自转是逆向的,即由东向西,周期约243天,比它绕太阳公转周期225天还长18.3天,这些因素令学者们始终无法放弃对它的探索。

  这样的努力终于在2006年4月有了新发现。通过欧洲航天局发射的“金星快车”探测器发回的照片,科学家们惊讶地发现,金星被浓厚的云层完全笼罩,云层的厚度超过20公里。金星南极地区上空竟然有深色的旋涡状结构,周围还有大团苍白的云在旋转。

距地球最远的行星:“OGLE-TR-56b”

HAT-P-2b

  美国哈佛大学天文学家2003年曾对外宣布说,他们运用一种新的科技发现了一颗名为“OGLE-TR-56b”的行星,这是迄今为止人类发现的距离地球最远的行星。

  这颗新发现的行星位于人马星座,与地球相距5000光年。它比以前发现的太阳系外最远的行星还要远30倍,体积比木星稍小,每29小时绕自己的恒星转一周。据观测,“OGLE-TR-56b”表面覆盖着大量铁水,气候环境十分恶劣。

最怪的行星:“HAT-P-2b”

  以色列科学家对外宣布说,他们发现了太阳系外的一颗新行星“HAT-P-2b”。它与母星(距离地球大约400光年)非常靠近,它的一年等于地球上的5.6天,因此行星上的气候变化非常大。

  令科学家感到怪异的是,“HAT-P-2b”的平均密度是水的6.6倍,比木星的密度大8倍。要知道人类迄今已经发现大约200颗太阳系外的行星,其中14颗沿着椭圆形轨道围绕母星运行。所有已经被发现的行星密度与木星或水的密度大致相同。

  此外,这颗新发现的行星轨道也与众不同,与太阳系行星和太阳之间的距离相比,它与其母星之间的距离更短,仅为地球和太阳之间距离的7%。

卫星最多的太阳系行星:木星

  木星堪称太阳系内第一大家族,至少有58颗卫星环绕在周围,而且它的这些卫星大多都是最近几年才发现的。木星四颗最大的卫星,最早由伽利略于17世纪发现,技术的发展,使得科学家们在太阳系行星周围观测到的卫星数量不断增多。土星曾经被认为是太阳系中卫星总数最多的行星,目前已知的土星卫星有30颗,但是它最终还是将这一名号拱手让给了木星。

搜寻太阳系外行星的方法

  行星自身不发光,而只能反射恒星的光芒。如果把恒星比喻为一台功率强大的探照灯,那么行星就只是站在探照灯边缘的一只小小荧火虫。“探照灯”是如此耀眼,“荧火虫”当然就毫不起眼了。所以我们不能直接看到它们,这是寻找它们最大的难题。科学家意识到,我们必须使用一种间接的方法,现在,科学家已经摸索出四种间接的方法来寻找日外行星。

看看恒星是否在跳摇摆舞

  恒星的质量比行星大,所以它的引力也更加强大,它会把行星束缚在自己身边,让行星围绕着自己运转,这已经是尽人皆知的事实,但行星也以自己的引力对恒星施加着影响。从遥远的地方看上去,行星会使恒星的轨道发生周期性的摆动。行星每转一圈。恒星就会“摇摆”一下;从稍稍偏向一边转而稍稍偏向另一边。

  实施这种方法的时候,我们可以选定一片天空,透过望远镜拍摄其图像;测定其中各星球的相对位置;然后每过一段时间,对同一片天空重复同样的操作……最后,比较多次拍摄到的图像,观察各星球的运动是呈线形模式还是呈“摇摆”模式。

  当然,“摇摆”的幅度是非常微小的,就连比地球大1000倍的木星对太阳产生的影响也十分难辨。只要测量恒星是否有周期性的摆动,就可以判定它是否有行星。第一颗日外星就是这样发现的。

  1995年10月,瑞士日内瓦天文台以梅厄为首的天文学家郑重地宣布;距我们40光年远的飞马座51有一颗行星,称为飞马座51B,这颗与太阳光谱相同的恒星以每秒60米的幅度来回摇摆,而且在一年半多的时间里十分稳定,这样稳定的摇摆周期表明它有一个行星。到现在为止,绝大多数行星都是通过这种方法发现的。

观测恒星的光谱

  在发现日外行星的道路上,除了使用引力定律之外,还有另一种依靠光学的方法,这就是观测恒星的光谱。遥远的星光带给我们许多信息,它们不仅可以告诉我们它所包含的化学成分,还可以告诉我们许多其他的信息,这就交给我们另一种寻找日外行星的方法。这种方法就是要观察恒星颜色的改变,因为颜色的变化也表明恒星在运动。

  美国天文学家乔夫·马西每次观测恒星时,都会把恒星之光分解成光谱,而恒星大气层所吸收的波长则以线条的形式出现于其中,被称为“吸收线”。通过记录“吸收线”,马西就为星光录下了“指纹”,因为这一“指纹”与恒星所处的位置一一对应。假如恒星受到了不可见的行星的拉动,那么光谱中的“吸收线”也会移动。

  当一颗恒星向着观测者靠近时,辐射的光波会变短,向蓝端移动,称为蓝移。反之,则会向红端移动,称为红移。只要恒星的光谱中出现了这种变化,那就表明它有行星,是行星对他的拉动才使它的光谱发生了变化。所以通过检测一个恒星的光谱变化,也可以知道它是否有行星。

观察恒星的光度变化

  肉眼无法直接观察到光谱的变化,它需要使用到相关的仪器,但是还有另一种利用光学的方法,这种方法比较简单,也更加易于理解。

  太阳系的金星在围绕着太阳运行的时候,会跑到太阳的前面,这个时候,它就超出了太阳的光芒,我们会看到,太阳上面出现了一个黑点,这个黑点就是金星。发生这种现象被称之为“金星凌日”,当“金星凌日”发生时,太阳的光芒会略微减弱。天文学家们认为,太阳系外行星在围绕各自的恒星运转时,也会发生类似的现象。通过大型望远镜,我们可以记录下来恒星光芒减弱的过程,这无疑是最可靠的方法。

  但是,这种方法有一个弱点,这个恒星系必须要跟我们的视线位于同一个轨道平面上。这样才可以看到它从恒星的表面经过,也正是因为这个原因,它发生的机会很少。所以,迄今,人们在太阳系外总共找到了120多颗,其中只有3颗是根据恒星光芒受遮挡而发现的。

  有人认为,在太空中,空间望远镜可以克服地球大气层的影响,可以明确地发现这样的行星,但是试验的结果证明,这样做跟地球上的同行相比,丝毫也没有什么优势。

  此外,根据恒星光芒削弱的程度,可以测算出太阳系外行星的质量;根据恒星光谱的变化,可以推算出行星大气的成分。飞马座HD209458有一颗质量与木星相当的行星,与所有其它日外行星不同的是,它与我们的视线位于几乎同一平面,公转周期是3.5254天,当它从恒星表面经过的时候,恒星的光芒就会减弱一点,这个时候,我们就可以检验它的大气成分。检验结果表明,这颗行星含有大量的钠元素,与科学家预言的基本相符,这是首次辨别出日外行星的化学组成。

利用天然望远镜方法

  还有一种更加巧妙的方法,这种方法就是利用一种天然的宇宙望远镜,它又被称之为引力透镜。

  当一颗行星运行到一颗恒星的前面时间,它会使恒星的光芒减弱,这是因为行星距离恒星太近了。当这颗行星距离恒星足够远的时候,就会发生另一种情况,一种完全相反的变化,那就是它会使恒星的光芒增强,行星就像是一个放大镜,可以汇聚恒星的光芒。

  这种情况大大出乎我们的传统理念,但是它又合情合理,符合有关的引力定理。它被称之为引力透镜,这种情况已经被证明确实存在。但是这种情况的发生需要有好几个先决条件,它对行星的质量和行星距离恒星的距离都有着严格的要求,而且它们还跟地球到这个系统之间的距离也有关系,所以这种情况发生的可能性极少,天文学家观测了很多年,一直没有什么结果。

  但是,2004年4月,终于有一颗恒星出现了这种情况,于是,第一个用引力透镜方法找到的行星出现了。这颗行星的质量跟木星差不多,隐藏在银河系的中心,距离我们1.7万光年。它和它的母恒星一起组成了一个透镜,让一个更加遥远的恒星光芒变亮了好几天。所以这是一个复杂的引力透镜,这也是用引力透镜这种方法不好使用的一个根本原因。

  目前天文学家发现日外行星,只有这四种方法可以使用,其中使用摇摆法是最为可靠的方法,因为不管在哪里,引力定律都适用,恒星和行星相互之间的引力必然要暴露出它们之间的轨道关系。但是这种方法也又一个缺陷,那就是我们只能发现一些大质量的行星,对于那些小质量的行星,它对恒星的引力太小了,它使恒星摇摆的幅度太小,很难发现它们。

  在不久的未来,观测日外行星的技术还要获得大发展。技术的中心,将是发展光学技术,也就是要把恒星的光尽量减弱,同时,要把行星的光芒尽量增强。这样的技术将会使更多的行星暴露在天文学家的视野里。

  由于用天文仪器搜寻太阳系外行星的难度极大,天文学家一般采用间接的方法:

  天体测量法(Astrometry) 天体测量法是搜寻太阳系外行星最古老的方法。这个方法是精确地测量恒星在天空的位置及观察那个位置如何随着时间的改变而改变。如果恒星有一颗行星,则行星的重力将造成恒星在一条微小的圆形轨道上移动。这样一来,恒星和行星围绕着它们共同的质心旋转。由于恒星的质量比行星大得多,它的运行轨道比行星小得多。

  视向速度法(Radial Velocity) 视向速度法利用了恒星在行星重力的作用下在一条微小的圆形轨道上移动这个事实,目标现在是测量恒星向着地球或离开地球的运动速度。根据多普勒效应,恒星的视向速度可以从恒星光谱线的移动推导出来。

  凌日法(Transit Method) 当行星运行到恒星前方的时候,恒星的光芒会相应减弱。光芒减弱的程度取决于恒星和行星的体积。在恒星HD 209458的例子中,它的光芒减弱了1.7%。天文学家用凌日法发现了恒星HD 209458的行星HD 209458b。

  脉冲星计时法(Pulsar Timing) 通过观察脉冲星的信号周期以推断行星是否存在。一般来说,脉冲星的自转周期,也就是它的信号周期是稳定的。如果脉冲星有一颗行星,脉冲星信号周期会发生变化。

  重力微透镜法(Gravitational Microlensing) 用重力透镜效应来发现行星的方法。比如行星OGLE-2005-BLG-390Lb就是用这种方法发现的。