报告人简介
王雪凇，清华大学天文系助理教授，2016年于宾夕法尼亚州立大学获得天文与天体物理博士学位，此后于卡内基研究所和天文台任卡内基学者博士后，2020年加入清华大学。主要研究方向为寻找和刻画系外行星，以及通过建立观测样本来研究行星形成和演化等。
在我们的太阳系中，有八大行星以及众多的矮行星和小天体。这些丰富多样的行星和天体不禁让人们想象，其他的恒星是否也像我们的太阳一样，周围有行星围绕？毕竟，在我们的银河系中，有着上千亿的恒星，而在可见宇宙中，又有着上千亿的星系。很难想象在如此众多的恒星周围，在漫长的百亿多年的宇宙历史中，没有出现过和我们相似的恒星，甚至是和我们相似的文明。
绕转其他恒星的行星，我们称之为系外行星。由于行星是几乎不自发光的天体，只在红外波段有些微弱的辐射，所以它们很难寻找。人类一直到上世纪九十年代，才找到第一个绕转类似太阳的恒星的系外行星，这就是2019年获得诺贝尔奖的工作，由两位瑞士天文学家Michelle Mayor和Didier Queloz在1995年所发现的飞马座51b行星。
然而其实最早被广泛承认的系外行星发现并不是飞马座51b。早在1992年，两位射电天文学家Alex Woszczan和Dale Frail就已经通过测量脉冲星信号的周期性变化而发现了绕转脉冲星的系外行星，且其质量只有几个地球质量大小。但由于脉冲星这种天体太极端了，是大质量恒星死亡之后的产物，其周围的行星很可能也经历了比较剧烈的变化，甚至是恒星死亡之后形成的第二代行星，因此这个发现并没有被广泛认为是我们所说的通常意义上的“系外行星”。
其实传统意义上的绕转“正常恒星”的系外行星发现早在1980年代就开始了。1988年，加拿大天文学家Bruce Campbell和Gordon Walker在他们的系外行星搜寻项目中，发现了绕转gamma Cephei A这颗恒星周围的一个周期为900多天的类似木星的行星。然而这个发现充满了曲折。在最初的结果公布之后，他们很快撤回了这一发现，原因是他们无法排除所观测到的信号究竟是由于恒星本身所引起的，还是真正来自于一个系外行星。一直到二十多年之后的2003年，gamma Cephei Ab才最终被确证的确是一颗行星。这才是最早的系外行星发现。
图1 来自于System Sounds为2019年系外行星总数突破4000所做的音乐视频
在最初的发现过后，系外行星领域迅速发展起来。目前，人类已经发现并确证5000多个系外行星，还有几千个候选体有待确认。这5000多个系外行星中，最小的只有月亮大小，最大的比我们的木星还要大一些，周期最短的不到一天，最长的可达几十年甚至百年尺度。如图1所示，这些行星遍布我们的天空，由于观测手段限制，多数都位于我们太阳系的近邻，几百光年之内，少部分可远达几千光年之外。
那么，这么多的系外行星我们是如何寻找到的呢？目前寻找系外行星的主要方法有以下这么几种：
图2 目前主要的寻找系外行星的三种方法
图片基于ESO的介绍系外行星发现方法的图修改而成
（1）凌星法：如果行星的轨道面，恰好与我们观测恒星的观测方向相近，那么行星就会经过恒星与我们之间，遮挡住一部分恒星的光，从而发生凌星。通过测得这种周期性的凌星现象，我们就可以得知系外行星的周期和它们与其恒星的相对大小。凌星法是一个效率极高的系外行星发现手段，也是目前发现系外行星最多的方法。
（2）视向速度法：由于行星对恒星所产生的引力作用，恒星也会围绕它们这个系统的质心旋转，就像行星绕转恒星一样。恒星绕转所产生的的周期性运动，使得它在我们的视线方向上，有时远离我们运动，有时朝向我们运动。这样的运动会导致光的多普勒效应，因此我们观测到的恒星的光谱，就会出现周期性的蓝移和红移现象，这就是恒星的周期性视向速度变化。视向速度是系外行星探寻方法中历史最久的一个，最早一批的系外行星，包括飞马座51b和gamma Cephei Ab，都是视向速度法所找到的。
（3）微引力透镜法：根据爱因斯坦的广义相对论，光经过引力场时会发生弯折，这就使得远处恒星的光需要经过中间一个恒星附近而到达我们时，中间的恒星会像透镜一样，将远处恒星的光聚焦，从而发生引力透镜效应，使得远处的恒星看起来更亮。如果中间的透镜恒星周围有行星，那么行星也会像一个小透镜一样，让观测到的总亮度进一步增加，只不过行星的透镜作用时间更短。因此，通过追踪微引力透镜事件，我们也能发现远处恒星周围的系外行星。未来NASA的Roman空间望远镜将预期利用这个方法找到数以千计的系外行星。
（4）其他：除了上述三个目前寻找到最多系外行星的方法之外，还有多个方法可以寻找系外行星，包括通过观测恒星由于行星引力引起的各种时变效应，以及对于自发光比较多的行星进行直接成像探测，以及类似于视向速度的观测恒星位置产生的周期性变化的天测法等等。
在这些多种多样的探索方法之中，凌星法所发现的系外行星数量占了绝大多数，目前已接近4000个（图3）。其中，很大一部分贡献来自于NASA的Kepler卫星和2018年发射，目前在轨运行的TESS卫星。Kepler卫星运行的6年中，发现了3000多确证的系外行星，此外还有3000多待确认的候选体。TESS所发现的系外行星候选体也已达200多个，且有几千候选体。这些大量的行星样本使得我们第一次能够很好的对于系外行星的性质进行统计研究，这些研究揭示了系外行星的丰富性和多样性。其中一个最重要的结果之一，是我们了解到银河系中最普遍的行星，很可能是介于地球和海王星大小之间的超级地球（或迷你海王星）。据估计，每两个类似太阳这样的低质量主序星周围，至少就会有一个超级地球或迷你海王星存在。而我们太阳系中并不存在这样的行星。研究这一类行星的形成和演化过程是目前系外行星的研究热点之一。
图3 目前已确证的近5000个系外行星的质量和轨道周期分布，以及各个方法所找到的系外行星数目。图片基于NASA的系外行星数据库修改得到。
系外行星的另一个研究热点，是探寻恒星周围宜居带内的行星。宜居带是天文学家所创造的一个特殊的定义，是指在这样一个轨道周期范围内，行星表面的温度可能不会太热也不会太冷，从而使得液态水很有可能存在，进而使得生命存在变得更为可能，因此这样的轨道周期范围被称为该恒星的“宜居带”。目前我们已经知道的系外行星中，已经有几十个符合这样条件的行星。其中一个备受关注的系统是Trappist-1（图4）。Trappist-1是一个通过地面望远镜的凌星搜寻所找到的系统，其中已知的行星有7个，有3个都位于其恒星的宜居带中。刚开始运行的JWST空间望远镜将通过凌星光谱观测来获取Trappist-1系统中多个行星的投射光谱，从而研究其大气的组成部分，并寻找可能的生命信号。
图4 Trappist-1系统与我们的太阳系相比较，绿色区域为宜居带
图片来自NASA/JPL-Caltech
除了Trappist-1这样令人期待的具有多个宜居带行星的系统外，已知的系外行星中还有许多非常有趣的，值得我们进一步探索的行星。比如类似于飞马座51b的这一类的热木星，它们的轨道周期很短，只有几天，质量和木星相似甚至更高。它们大气的性质很可能与我们了解的木星非常不同。比如被广泛研究的热木星HD 189773b，我们通过对于其大气的观测，目前了解到这个行星是蓝色的，且有强烈的气流和风存在，而且其大气组成和温度告诉我们，在这个行星上很可能在刮强烈的富含玻璃的风，可谓新奇（图5）。
Kepler的发现告诉我们，行星似乎是非常普遍存在的。的确，就连距离我们最近的，3光年之外的比邻星，我们也已经在其周围找到了3个行星。但在目前已知的所有系外行星中，还没有一个是真正和地球相似的类地行星——也就是在一个与太阳非常相似的恒星周围的宜居带内的地球大小和质量的行星（图3）。这也是系外行星学界接下来的主要搜寻目标之一。我国正在筹划的EarthTwo凌星望远镜和CHES天测巡天这两个空间望远镜项目，正式围绕着这一科学目标所展开。
除空间望远镜外，利用地面望远镜和光谱仪进行的视向速度测量，是在寻找近邻类地行星方面最被给予厚望的探测方法。欧洲和美国的许多视向速度巡天小组已经开始利用最新、精度最高的仪器展开近邻恒星巡天，以期在未来的10-20年内发现类地行星，从而使得未来的直接成像空间望远镜能够提前知道所需观测的目标源，进而集中观测时间来寻找生命信号。然而，视向速度法在寻找类地行星方面面临着极大的挑战。恒星因为类地行星所产生的视向速度信号只有10厘米每秒，这个微弱的信号，与恒星本身的各种各样的活动相比，比如黑子和米粒组织（图6展示了太阳表面这些结构），要小一个数量级。怎么从各种恒星信号中分辨出类地行星造成的视向速度信号，是视向速度研究领域目前最为挑战也最为重要的课题。
图5 HD 189773b的想象图。来自ESO/M. Kornmesser
图6 太阳表面的一个黑子，以及可见的多个在对流层中的米粒组织
图片来自Vacuum Tower Telescope, NSO, NOAO
除了视向速度法正在极力寻找的类地行星外，系外行星未来的发现有许多值得期待的地方，比如JWST空间望远镜即将带来的丰富多样的系外行星大气的测量，以及Gaia和Roman望远镜未来将会发现的多种多样的冷行星，还有许许多多我们可能无法预期的新奇和重要的发现。而正在阅读本文的你，其实也可以参与到这些发现中来：在zooniverse.org（宇宙动物园）项目中，有许多系外行星数据等待公民科学家去发现和挖掘。通过参与这些项目，你也可以有自己的，令人惊奇的系外行星发现。
问答部分
1. 为什么系外行星质量分布图中几十个地球质量之处数量比较少？
答：因为比较小的行星更为普遍，所以凌星法找到了很多。随着大小增加，系外行星的存在概率下降很快。但是找到的系外行星数量又增加上来了，这是因为这样的行星很容易被凌星法或者视向速度法找到。中间的就会显得很少了。
2. 可否介绍一下中国在系外行星方向的观测计划和任务？
答：中国几年后即将发射的空间站望远镜CSST将搭载一个星冕仪，用直接成像法寻找和探测系外行星。此外，目前有两个空间项目正在争取立项。一个是EarthTwo（地球2.0），是利用凌星法寻找类地行星等系外行星的空间望远镜。另一个是CHES，是利用天体测量法寻找近邻恒星周围的宜居带行星的空间项目。此外还有中科院和钱学森实验室等单位正在筹划的觅音项目，是利用直接成像寻找和刻画宜居带系外行星的大型空间项目。
3. 地球的特别不仅仅因为处于宜居带上，还因为其有很强的磁场，在寻找系外行星时可以找到轨道，知道元素组成，是否有办法判断有没有自身磁场？
答：目前我所知的方法是通过恒星和行星磁场之间的互相作用来探测，尤其是射电波段的辐射来推定磁场是存在的。其他办法有的是通过X射线来反推，这些方法观测难度都很大，因为行星磁场和恒星抛射物质之间的相互作用很弱。这也是宜居性探索的盲区。
