專業 物理

尋找系外行星的方法

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撰文者:曾耀寰 (中研院天文所研究副技師 )
發文日期:2017-08-02
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  • 我們可以將古希臘哲學家的理性思考當作人類的第一次科學革命,在多神、單一神的宗教信仰,以及各種神話的社會環境下,教導人類開始以客觀的思維看待自然和宇宙,當時的希臘哲學家捨棄神話,帶領著人類進入科學。
    接下來的第二次科學革命可算是十四世紀的哥白尼革命,捨棄地心說,將人類從宇宙的中心趕出。所有的天體都是以地球為中心,繞著地球運行,地心說代表了當時人的宇宙觀,也是基督教世界的宇宙觀,我們可以從西元二世紀的羅馬主教希波律陀(Hippolytus) 的檄文《駁一切異教邪說》(Widerlegung aller Häresien) 可以看到一個具有多個世界的”異教邪說”:

    物質總是在空無中運動,存在著不計其數、大小各異的世界,有些世界沒有太陽、也沒有月亮,而另一些世界的太陽和月亮很大,還有些世界存在著多個太陽和月亮....。有的世界沒有生物、沒有植物,也沒有任何水分。

    除了地球,上帝還創造了其他世界,這種想法對基督教來說,可算是毒水猛獸,也難怪生在15世紀的布魯諾 (Giordano Bruno) 提出泛神論、多重宇宙等違反基督教義的異端邪說,會遭到嚴厲處罰,在1600年羅馬鮮花廣場被活活燒死。

    可惜布魯諾生錯了年代,在現今21世紀,只要隨便說個外星人遺跡,不論是擁有科學背景的科學家,或是電視媒體的名嘴,就可以大肆發揮,上窮碧落下黃泉,只要科學還找不到答案的疑點,全被當成UFO。

    其實科學家是有認真地研究這類問題,而且都靠科學的方法。1961年康乃爾大學的薩根 (Carl Sagan) 和德瑞克 (Frank Drake) 發展出方程式,可以估計任何時間在銀河系內形成高等文明的數量 (如圖一)。簡單地說,德瑞克方程式是一連串數字的乘積,是機率的概念,本銀河系的高等文明數量是這樣估計,將各種和高等文明產生的比例參數列出,然後一一相乘出一個數值,雖然沒有真正找到高等文明,但可以估算出合理數字,而當中的各個比例參數就得靠科學家長期的觀測結果。

     
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    圖一 德瑞克方程式,以及相關參數的說明 (圖片來源:維基百科)

     
    我們可以問:是否可以直接用望遠鏡找尋系外文明,直接的證據比估算還更踏實些,最好能像收音機一樣,直接收到外星人的訊號。1959年,天文物理學家可可尼 (Giuseppe Cocconi) 和物理學家摩里斯 (Philip Morrison) 在《自然》(Nature) 雜誌發表了一篇名為《探索星際通訊》(Searching for Interstellar Communications),他們認為微波可以作為星際之間的相互通訊。他們認為宇宙中最多的物質是氫,氫原子可以發出21公分譜線,外星文明若要向外通訊,最可能使用的通訊信號是透過21公分譜線。兩年後,物理學家湯斯 (Charles Townes) 和 史瓦茲 (Robert Schwartz) 發表另一篇論文,《使用光學邁射作為星際和行星際通訊》(Interstellar and Interplanetary Communication by Optical Masers ),建議外星高等文明可以進步到使用更複雜的系統,透過可見光波段的訊號向外傳遞訊息,這算是非常先進的概念,因為當時雷射的應用才處在萌芽的階段。

    1960年德瑞克首次用26公尺口徑的電波望遠鏡尋找外星訊息,1977年俄亥俄州立大學開啟了SETI計畫,電波望遠鏡正式成為尋找外星生命的重要工具,由於大量的觀測資料需要分析,後續的SETI@home計畫,便邀請全世界對尋找外星生命有興趣的人,下載軟體協助天文學家分析資料,可惜至今還沒有找到。也許我們應該換個策略來看宇宙其他角落的文明。

    也許我們不用搜尋外星文明傳來的訊息,而是尋找生命可能發生的地方—系外行星。自從1605年伽利略將望遠鏡指向天空,親眼探索宇宙的奧秘,看到月球表面的不完美,透析出銀河由許許多多的星星所構成,還發現四顆衛星繞著木星,加深了哥白尼日心說的宇宙觀。近幾十年來,天文學家的觀測技術大幅進步,在各個電磁波段都有相對應的望遠鏡可供使用,包括電波望遠鏡、紅外光照相機、紫外線、X射線望遠鏡,甚至波長近乎原子大小的伽瑪射線望遠鏡,宇宙射線和重力波也是探索宇宙的工具,天文學家除了紀錄電磁波的強度,進一步的光譜也是分析的對象,望遠鏡放到沙漠、放到高山,甚至用飛機承載,發射到外太空,讓我們覺得宇宙中沒有什麼是看不了的,找尋系外行星應該不是太困難的課題。

    若要找太陽系外的行星,我們可以太陽系內的行星當作範本,以木星為例,質量大約是太陽的千分之一,木星表面主要的光源是來自反射的太陽光,在可見光波段,木星比太陽暗了將近十億倍。不僅如此,我們在遙望太陽系以外的恆星系統,在亮度相差了9個數量級的狀況下,行星和母恆星靠在一起,幾乎很難從中分辨出行星的蹤跡,就好像在臺灣北部遙望鵝鑾鼻燈塔旁的螢火蟲,這也難怪要到1995年才有第一個確認的系外行星。

    兩個天體之間的萬有引力可以讓它們繞著共同的質量中心運轉,這個質量中心的位置和雙方的質量比值有關,是偏向質量較大的一方。 既然系外行星無法直接看到,天文學家改弦易轍,觀測的目標轉向當中的母恆星。我們可以藉由都卜勒效應,獲得恆星繞著質量中心晃動的公轉速度變化,進而推測系外行星的存在。

    加拿大英屬哥倫比亞大學天文學家沃克 (Gordon Walker) 和坎貝爾 (Bruce Campbell) 從1970年代末就發展出搜尋系外行星的技術,藉由恆星的都卜勒效應尋找木星質量的系外行星 (圖二)。他們使用位在夏威夷毛那基峰上的3.6米加法夏望遠鏡 (CFHT),從1980年到1992年,搜尋了21顆恆星,主要要找類似木星,並且以類似木星軌道方式繞行的系外行星,結果一無所獲。
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    圖二、恆星繞著質量中心運轉,當朝向我們運行的時候,會有都卜勒藍移,遠離我們的時候則是都卜勒紅移,頻率偏移的量和速度有關,藉以可以推算無法看見的行星質量。
     
    為了記錄都卜勒效應,沃克團隊設計了一個容器,裡頭裝了氟化氫 (hydrogen fluoride) 氣體,當星光通過望遠鏡,先通過氟化氫氣體,然後進入光譜儀,氟化氫會吸收特定波長的星光,產生吸收譜線,這吸收譜線和原本星光的譜線相比較,可以找出星光原本譜線的都卜勒頻移,進而推算恆星沿著徑向方向的速度。沃克的測量可以準確測量到每秒15公尺的速度,足以證明擁有木星質量的系外行星。經過漫長的12年守候,沃克在1995年發表了最終報告論文,表示在觀測的21個目標當中,沒有發現質量大過木星質量,以木星軌道的形式繞行恆星,後來又進一步表示鄰近的45顆恆星也沒有斬獲。

    仔細想想,沃克尋找系外行星的哲學基礎還是根基在地心說,認為其他星球的行星也應該和太陽系行星一樣,因此尋找質量大於木星質量的系外行星,繞行類太陽恆星,並且是以木星的公轉軌道繞行。1992年,加拿大天文學家費雷 (Dale Frail) 和波蘭天文學家沃爾茲森 (Alexander Wolszczan) 使用阿雷西波電波望遠鏡找到兩顆數個地球質量的行星天體,這些行星繞著編號PSR B1257+12的波霎 (pulsar) 運行,公轉軌道不到地球的一半 (0.36和0.47天文單位),和水星差不多,但水星質量只有0.055地球質量,這兩顆系外行星的質量是水星的兩個數量級。一個死亡的波霎也有行星,若從數量更多的紅矮星下手,也許找到系外行星的機會更高。

    在沃克發表沒有系外行星結果的同一年,1995年10月,瑞士天文學家麥耶 (Michel Mayor) 在一場國際會議當中發表了驚人的成果。麥耶花了幾十年的時間找尋雙星系統中,無法看到的伴星,同樣是用都卜勒效應,測量速度的準確度大約每秒13公尺,他原本有一個142顆類太陽恆星的清單,這些恆星的周圍看不出有伴星,於是他想針對這些恆星,找找是否有很低質量的伴星,或者是較大的氣體狀行星。麥耶從1994年四月開始進行觀測,到了10月,觀測的對象是一顆類太陽恆星飛馬座51 (51 Pegasi),他發現飛馬座51有晃動的跡象,並在 1995年11月《自然》雜誌上發表了在類太陽恆星附近找到的第一顆類似木星的系外行星 (圖三)。飛馬座51的軌道周期只有4.2天,這表示軌道半徑約0.05天文單位,比水星更接近太陽,難怪以木星當作系外行星搜尋對象的沃克沒有成果。由於是如此地接近恆星,之後類似的系外行星都被稱為熱木星 (Hot Jupiter)。
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    圖三、飛馬座51隨時間變化的徑向速度圖,推估公轉速度約每秒55公尺。(圖片來源:Michel Mayor 和 Didier Queloz 論文原始圖片,Nature 378, 355–359, 1995)

     
    尋找系外行星並不是只有用都卜勒效應來測量恆星的徑向速度,還可以測量恆星在天空中位置的改變,一般稱做天體測量學 (astrometry)。早期對雙星系統的研究也是採用天體測量學,天文學家透過望遠鏡長期測量雙星系統中可視恆星的軌跡變化,進而推算另一顆看不見的伴星,例如天狼星 (圖四)。天狼星是夜晚星空中最亮的恆星,一直以來都不知道天狼星是一個雙星系統。我們看到最亮的稱做天狼星A,另一顆是較暗的、看不到的白矮星,稱做天狼星B。1844年德國天文學家貝色 (Friedrich Wilhelm Bessel) 測量天狼星A的自行運動,發現天狼星A來回晃動的軌跡,進而推論有一伴星。在21世紀初,一些更準確的天體測量可以找到一些系外行星,但數量遠不及都卜勒效應的徑向速度法。
     
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    圖四、天狼星A和B在天空中運行的軌跡,可以清楚看出兩顆星相互繞行的關係(https://pics-about-space.com/sirius-binary-star?p=2)

     
    天文學家也可以透過凌日法 (transit) 來找尋系外行星,這現象類似金星凌日,金星凌日的周期為243年,一個周期內會出現間隔8年的兩次金星凌日。金星凌日的時候,金星會從太陽盤面前經過,會造成太陽的亮度變暗,水星也有類似的凌日現象,平均一百年出現13次。如果我們長期鎖定大量的恆星,找尋會周期性變暗的恆星,就有很大的機會發現系外行星。

    當系外行星繞行恆星運轉時,它的軌道正好經過恆星盤面,這時就會造成恆星亮度變暗,變暗的程度和行星、恆星的大小有關。1999年底,美國天文學家巴特勒 (Paul Bulter) 和他的團隊使用十米口徑的凱克望遠鏡發現HD 209458有一顆系外行星。之後團隊成員使用0.8公尺口徑望遠鏡,確認這顆系外行星也有凌日現象 (圖五),推估行星半徑是木星的1.3倍。這是天文學家第一次用兩種獨立的方式找到系外行星。

     
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    圖五、編號HD 209458恆星受到自己的行星遮掩星光的亮度變化圖 (圖片來源:發表的論文Henry et. al, 2000 ApJ, 529, L41)

     
    現今用凌日法找到的系外行星最多,主要原因是美國NASA在2009年3月7日發射升空的克卜勒太空望遠鏡,主要任務就是利用凌日法。克卜勒太空望遠鏡可以長期監控十四多萬顆恆星,搜尋系外行星,成果非凡。後來因兩座反作用輪 (reaction wheels) 相繼故障,造成定位的困難,NASA於2013年8月15日宣布任務結束,這比原訂三年半的任務時間還要長,在長達四年多的觀測,確認了2335顆系外行星。

    尋找系外行星的方法還有重力微透鏡法 (gravitational microlensing)。當恆星經過背景星和地球的連線,根據廣義相對論,恆星自身的萬有引力會造成周圍的時空彎曲,形成類似放大靜的聚光功能,讓背景星的亮度變亮,如果這顆恆星的周圍有行星繞行,會讓背景星變亮過程中,有短暫更亮的現象,這現象不容易觀測,至今僅19例。

    最開始提到直接用望遠鏡看系外行星的困難度很高,不過天文學家仍努力不懈,用盡洪荒之力,希望拍攝到系外行星的影像。紅外線望遠鏡就是其中一種方式,系外行星和恆星在紅外線波段的亮度差異為一百萬倍 (可見光是十億倍),雖然亮度對比較可見光低,但長波長的紅外線觀測需要更大口徑的望遠鏡來提升解析度,甚至需要用到因此干涉法 (interferometry) 增加望遠鏡的等效口徑。而自適光學系統、日冕儀也都可以提升直接拍攝的能力。

    哥白尼革命徹底瓦解將人類當作宇宙中心的想法,但在浩瀚宇宙中,人類是唯一的高等文明嗎?從科學發展的歷史中,可以看到人類不再是宇宙的中心,宇宙各個角落都有可能孕育高等文明,我們只差找到科學證據。現在的科技可以找到系外行星,甚至類似地球的系外行星,天文學家除了想要清楚拍攝系外行星的長相,也努力從通過行星大氣的星光,找尋文明的氣息,相信在人類尋求宇宙同伴的強烈渴望下,科學證據的出現指日可待。
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