出品：格致论道讲坛

以下内容为中山大学物理与天文学院教授余聪演讲实录

我是来自中山大学的余聪，主要从事一些和天文相关的研究。今天很高兴在这里介绍一下系外行星。

这个 “系”是指太阳系，那么有系外，肯定会有系内。太阳系内的行星，原来是九大行星，但是天文学家了发现最远的那颗冥王星。

系外行星

已完成：10% //////////

其实有很多和它类似的小天体，如果把冥王星也算作行星的话，我们会发现太阳系的行星远远不止八颗。

大家可以看到这个图上，靠内的有四颗，靠外有四颗，靠内的就是类似于地球的行星，靠外的话就是个子比较大，是气态的巨行星。

那么，太阳系外是什么情况呢？

这张图是太阳系在银河系里面的位置，大家看到黄色的一个小圈就是我们所处的太阳系。它和银河系相比起来，确实微不足道，我们就是一个渺小的太阳系。

图上的开普勒是探测系外行星的一个空间望眼镜，这个黄色的三角型区域就是它所观测的天区，其实这么一个天区和整个银河系比起来也是很小的。

但就是这么小小的区域，天文学家在里面发现四千多颗行星。

看这个图上有很多旋转的一些圆圈，这就是天文学家找到的行星。大家可以看到这个行星距离中央的恒星距离远近不同，颜色也不同，不同的颜色表示它的温度也不同。

因为离主星距离远近不同，它表面的温度也会不一样。因为远近不同，它运动的周期也会不一样，这些都是形态各异的行星系统，它们的多样性远远超过天文学家的预期。

借助空间设备，天文学家在系外行星领域取得了巨大的进展。

▲ 2019年诺贝尔物理学奖

图上右边这两位科学家，是2019年系外行星的一些先驱的研究者，因为发现了第一颗在类似太阳恒星周围的系外行星，获得了2019年诺贝尔物理学奖。

▲ 飞马座51b：类木气态巨行星，不适宜人类居住

质量~0.5 木星质量

半径~2木星半径

他们发现的是飞马座51b，它跟我刚才说的太阳系靠外的那四颗一样，是类似木星的气态巨行星。这种气态巨行星不太适合人类居住，它的质量大概是我们太阳系内木星质量的一半。

▲ 类地行星

比邻星b ~ 4 光年

大小和地球类似

开普勒还发现了一种类地的行星，是距离我们最近的一颗比邻星，在比邻星周围发现了比邻星b。

它距离我们大概四光年，它的大小和地球类似，它也可能处于宜居带内，可能会有液态水存在，这样一个行星是天文学家特别感兴趣研究的目标。

行星目标非常小，天文学家是靠什么办法来观测的呢？大概有两类，一类是比较间接的办法，还有一类是比较直接的办法。

▲ 视向速度：多普勒效应

朝向观测者速度为负，远离观测者速度为正

比较间接的方法，专业术语叫“视向速度”，比如我们在火车站月台上等火车过来，火车呼啸而过，当它朝向我们的时候，呼啸音调越来越高；

离开月台的时候，火车的音调会降低，音调表示频率，频率的变化可以推断这个火车的速度。

现在研究系外行星，就相当于有一个火车在这个星球里面。图上蓝色点是行星，黄色点是恒星，因为恒星和行星相互绕转，就相当于有一辆火车。它有时候会靠近我们，有时候会远离我们，周而复始来回这么运动。

在运动过程中就会产生像我刚才说的火车呼啸的声音，音调变高变低的效应，现在研究系外行星就不是火车发出的声波，而是恒星发出的光波。

通过这个光波，它也有频率，也会上升、下降，我们通过监测这个频率的上升、下降，就可以推测行星的一些信息。

大家看到这个像山峰一样上去、下来，上去、下来，就是一个理想的示意图，它会产生视向速度的变化。

但实际上天文观测是这样子的，大家看图。因为天文学家也要靠天吃饭，如果当天天气不太好，或者有云遮挡的话，我们可能拿不到数据点。

▲ 视向速度：多普勒效应

通过视向速度曲线，推测行星的物理性质

图上黄色的点就是天文学家拿到观测的一些数据点，如果你把那些点慢慢用曲线连接起来，就可以得到刚才上一幅类似的那个视向速度的曲线。

我们通过视向速度，来推测行星的质量。

除了推测行星质量以外，用这种方法还可以得到一个很有用的信息，就是行星绕恒星的轨道倾角。

▲ 行星的轨道倾角

最上面那一行图就是恒星在自转，黄色表示恒星，恒星一般也在自转，我们知道太阳也在自转，自转一圈大概是27天。

它自转的话，也会产生一个类似刚才说的火车那个效应，因为自转它有一部分是远离我们，有一部分是朝向我们。

那么，看中间那一行图，大家可以看到，红色区域是远离我们，蓝色区域是靠近我们，有蓝色、红色在那里打转，就会产生相当于火车那样的效应。

如果这个行星像左边第一幅图那样平平的穿过，你可以看到它挡住蓝色的部分跟挡住红色的部分是对称的；

第二行中间那幅图，如果它有倾角，那行星挡住蓝色的部分变少，挡住红色的部分就会变多；如果倾角再大一点，如第三幅最右边那幅图，它完全不挡住蓝色部分，它只挡住红色部分。

最下面那一行图是对应视向速度，最左边的比较对称，中间就不那么对称，最右边就完全不对称。天文学家就可以根据不对称性来推测这个行星的轨道倾角，这对了解行星的形成也是非常重要的一个信息。

另外一种方法，是大家可能比较熟悉的通过凌星观测系外行星。比如，我们经常看到新闻报道有日食，这是因为月亮在地球和太阳之间，月亮把太阳的光挡住了，挡得多的话，就变成全食，挡得少就变成了偏食。

▲ 凌星观测系外行星

如图，光线随着时间的变化，月亮绕过日面，开始没有遮挡，它的高度、亮度就是最左边那条比较平的亮度线。

▲ 凌星观测系外行星

挡住的时候，相当于在底下挖出一个坑，然后当月亮慢慢地走出日面，亮度又会回升起来，就形成中间有个坑的光变曲线。

行星同样可以起到这样的作用。

大家可以看这个小电影，如果行星处在恒星和地球之间，行星挡住它所围绕的恒星，也会造成亮度的变化，形成一个坑。

通过凌星这个信号，我们就可以推测这个行星的大小。如果行星个子够大，像月亮一样，就可以变成全食；如果行星的个子小一点，可能挖的坑就比较浅，通过坑的深浅来推测这个行星的大小。

我们通过凌星观测方法，发现了很多系外行星系统。

这其中有一个特别好玩的，我们红矮星周围发现了7颗行星，我们叫它“葫芦7兄弟”。它和太阳系有一个显著不同就是这个非常致密，相当于我们在太阳系水星轨道内，摆上7颗行星，而且他们排列非常致密，排布也比较均匀。

这是很多系外行星不同于太阳系的特点，这也是为什么我们很着迷研究系外行星的一个原因。

刚才说的两个都是间接的办法，当然还有很直接的，比如说直接成像。

▲ 直接成像

大家可以看到这张图中有4颗星体，如果仔细看的话，有4颗亮点围着中间那一团在运转，这个就是通过给行星直接成像拍摄到的4颗系外行星。

这里有一个技术难点，因为在地球上会碰到湍流，如果大家坐飞机，有时候空乘人员会提醒我们飞机在颠簸，那就是说遇到了湍流，湍流就会引起振荡。

如果望远镜遇到了空气中的湍流，这个像就会抖动，那样的话就看不清楚。如果用合适的技术把这个抖动剔除掉，类比我们给近视眼戴上了近视眼镜，感觉世界突然一下变得好清晰。

这幅图表示这种技术，就可以用到左边这个系外行星的探测上面来获得它的直接成像。

当然这是在地球上，现在也把望远镜放到天空上去，我们中国和国际的研究水平在这个领域还有差距，但是我们也在奋起直追。

▲ 系外行星迅猛发展

上左：Kepler 上右：TESS 下：CSST

最下边这个图就是中国空间站工程的巡天望远镜，天文学家在这个望远镜上摆了一个星冕仪。

它不仅可以着眼于宇宙学的研究，还可以探测系外行星的大气，相当于直接给大气成像，然后探测系外行星大气里面的一些信息。

比如它的化学组成，它的温度分布等，还可以得到很多系外行星的知识。未来中国的系外行星一定也可以做出很重大的发现。

系外行星是怎么形成的？

已完成：60% //////////

我们发现这么多系外行星，大家肯定会好奇这个系外行星怎么形成的。

这个扁平的结构，叫做吸积盘。大家可以看到行星在这个盘里慢慢地聚集、长大，然后盘慢慢消失。

行星就围绕中央的恒星在旋转，形成我们现在观测到的多样化的行星系统。

▲ 行星形成的基本过程

行星形成过程有四个非常重要的步骤。

首先是分子云的塌缩，塌缩之后，比如说缩小一千倍，然后形成吸积盘。吸积盘和行星之间的相互作用，这个盘慢慢消散掉，只留下中间绕恒星旋转的行星。

在第一步到第二步的时候，这个当中会发生体积收缩，这里面有一个新名词叫“角动量”。

如果大家看过花样滑冰运动员就应该理解了，花样滑冰运动员在开始的时候，把手打开，旋转得很慢。当他收拢的时候，他就会旋转得很快，这说明角动量是守恒的。

当它收拢的时候，相当于第一幅图分子云在塌缩，塌缩的时候，角速度就会增大，就像厨师甩出印度飞饼一样，会甩出一个饼状的结构，就是天文学家所说的吸积盘。

这个吸积盘对行星形成具有重要作用，有了这个盘大概有两个通道可以形成行星，这取决于这个吸积盘的质量。

第一个通道就是当这个吸积盘的质量够大，因为大质量的吸积盘里面的引力不稳定性。

引力的话就相当于牛顿发现苹果落地，就是因为两个物体之间会相互吸引，大质量吸积盘就会形成大质量的行星，大家可以看一下这个小电影。

这个吸积盘在形成的时候会旋转，你可以看到一个像S型的结构，然后这些S相互碰撞，最中心形成一颗很亮的恒星。

在外围，大家仔细看会有两个很亮的斑点，出现第一个，现在第二个也出现了，这两个斑点就是形成了大质量行星。

第二个通道就是如果吸积盘的质量比较小，引力不稳定性就不工作了。

大家可以看一下这个小质量的，看到它只是在那儿转转转，并没有出现刚才说的那种小的很亮的斑点，只是中间形成了一颗恒星，就没有形成周围的行星。

在这个通道上，尘埃起着非常重要的作用。

▲ 尘埃→星子→行星胚胎

这个通道里面，盘里不光有气体，还有尘埃，尘埃像我们通常所说的PM2.5，很小的颗粒，相互碰撞，粘在一起，逐渐长大。

长大以后变成星子，这个星子可能变成巨大的岩石块，达到公里量级，就是一公里大小的这种大石头，在行星形成早期会有这种，而且非常多数目。

这些公里大小的石块在绕着恒星飞舞的时候，它们之间同样也会相互碰撞，相互吸引，它们还会长得更大，就形成行星胚胎，个体估计像月球大小。

另外还有一件更有意思的事情，如果引力占优，非常强。这时候行星胚胎和这个吸积盘就会发生相互作用，这里可以看一下动画。行星胚胎相当于一个石头扔到一个水池里。

大家可以看到石头相当于中间最亮的那个点，石头在橙色的水池里会激起一团涟漪，这就是行星胚胎和这个盘相互作用产生的效果。

除了产生涟漪之外，行星还会朝向中央的恒星迁移。大家可以看这个图，行星不光围着恒星在旋转，而且在旋转的时候也在不停的旋进。

理论表明旋进的速度非常快，如果没有什么机制阻碍它的快速迁移，我们一般都看不到行星，它都会被周围的恒星吞掉。

漩涡不稳定性

已完成：90% //////////

我们也做了一点小事情，就是采取办法减慢它的迁移，这个叫做漩涡的不稳定性。

如果大家生活中有经验，比如说一个盘里的结构不是那么光滑，比如一个水流里面突然立起一块石头，石头后面就会出现一些小漩涡。

吸积盘里面也有类似的情况，也会导致漩涡出现，有可能极大的减慢行星往内旋进的速度，我们就有机会在这个盘里看到存活下来的行星。

除了行星，这个石头在水池里激起涟漪，它还可以把周围的气体给吸过来。

最开始说八大行星的时候，有类木气态巨行星和类地的固态行星。

行星在形成过程中，如果它有能力把这个气体吸到周围，吸足够量的话，就有可能长成气态的巨行星，像类木的行星；如果没有足够的能力吸足够的气体，或者说气体在它吸的时候完全消散掉了，没东西可吸，那它就会变成类似地球这样的行星。

以上就是给大家粗略介绍了一下行星系统怎么形成，怎么观测的问题。但实际上这里面有很多未解的谜题，如果我的报告能够吸引到更多年轻人关注的话，我这个报告的目的就达到了。

谢谢大家！

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处，未经授权不得转载。