科學

尋找太陽系以外的其它行星


人類對宇宙的好奇心是無止境的,尤其熱衷於搜尋地球以外的生命。科學家在探索太陽系的同時,亦早已把眼光伸展至太陽系外的廣闊天地。

OGLE-05-390Lb
畫家筆下的系外類地行星想像圖。圖片來自 NASA,並由 Wikipedia 轉載。

在晴朗的晚上,夜空中的繁星構成了一幅璀璨而壯麗的圖畫。當中每一顆星都是一顆恒星,是類似我們的太陽一樣發光發熱的天體。人類對這些恒星的觀察,可以上溯至幾千年前。然而,這些恒星的周圍,是否有像地球一樣,繞著恒星公轉的行星呢?

一九九五年,天文學家首次在距離太陽系五十光年的飛馬座 51 號恒星旁邊,發現一顆系外行星。這顆行星的質量約為木星的一半,其公轉周期僅為 4.2 天,亦即它的「一年」只有地球上 4.2 天那麼短。同時,這顆行星距離母恒星僅 0.05 個天文單位(一個天文單位的定義為地球與太陽的平均距離,即約 1.5 億公里)。可以想像,這顆行星上的溫度非常高,不可能存在生命。

雖然如此,但這次發現卻為天文學家帶來重要啟示,並且由此展開了發現系外行星的光輝年代。迄今為止,人類已經發現了超過 130 個系外行星。

儘管十年以來獲得了如此奇異的豐收,但其實搜尋系外行星一點也不容易。行星本身並不發光,要看到它就要靠母恒星照射在行星再反射出來的微弱光芒。對此,天文學家作了一個比喻:如果母恒星的光芒像一盞直徑 1.5 公尺的大光燈,那麼行星微弱的光芒就像在大光燈旁邊的一隻螢火蟲。而我們要在地球上觀察到這些系外行星,就如同在有霧的夜晚,在五千公里外觀察這大光燈旁邊的螢火蟲。

行星會令母恒星輕微晃動(維基百科圖片)

幸好,天文學家發明了一個很聰明的辦法,來觀察這些行星。原來當行星繞著恒星公轉時,其實恒星亦在繞著行星公轉。當行星的質量像木星一樣巨大時,其重力足以令母恒星的位置作出可測量得出的輕微晃動。因此,透過觀察這母恒星的輕微晃動,以及其晃動頻率,就可以斷定母恒星旁邊有一個巨大的行星,並且計算出其公轉周期,以及行星的距離、質量等資料。

但我們如何得知母恒星在晃動呢?其中一種方法,是觀察母恒星的光譜 (light spectrum)。原來,由於多普勒效應 (Doppler effect) ,當母恒星遠離我們時,其發出來的光波波長會比原本的稍長,造成光波稍微偏向紅色,這個現象稱為「紅移」(red shift)。而當恒星向著我們的方向移動時,其發出來的光波波長則會變短,造成光波稍微偏向藍色,稱為「藍移」(blue shift)。利用現今的精密儀器,可以在母恒星的光譜中,測量出這個細微的顏色變化。其變化周期就是行星的公轉周期。這樣,透過測量母恒星的晃動,就可以間接地觀察到大光燈旁邊的螢火蟲。不過要留意的是,由於光速是有限的,我們觀察到的恒星或行星,都只是它們在過去一段時間之前的狀態。以距離我們五十光年的飛馬座 51 號恒星及其行星為例,我們今天觀察到的是它五十年前發出來的光。所以我們在觀察的是五十年前的過去的情況。對於更遠一點的天體,我們所看到可能是它們幾百萬年甚至幾十億年前的狀態。

隨著觀察儀器越來越精密,現今我們有機會可以觀察到類似地球大小、且距離母恒星不太近的行星。這又是一個里程碑,因為只有發現像地球一樣氣候宜人的行星,才有可能找到適合孕育生命的地方。這將是人類發現外太空生命的一個重要契機。

參考資料:

  • 《尋找其他地球》,見《國家地理雜誌》(National Geographic) (台灣中文版),2004 年 12 月號,頁 66-91。
  • 《踏上宇宙邊界之旅(上)》,見《Newton 科學世界》(簡體中文版),2004 年 11 月號,頁 78-89。
  • The Extrasolar Planets Encyclopaedia
  • 太陽系外行星

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