2025年6月3日，《自然·天文》（Nature Astronomy）刊登了一項(xiàng)令人振奮的發(fā)現(xiàn)——由中國科學(xué)院云南天文臺（CAS）牽頭的國際研究團(tuán)隊(duì)在開普勒-725系統(tǒng)中探測到一顆位于宜居帶的系外行星：開普勒-725c（Kepler-725c）。

使用TTV技術(shù)發(fā)現(xiàn)的開普勒-725c（圖片來源：中國科學(xué)院云南天文臺）

據(jù)中國科學(xué)院云南天文臺研究員顧盛宏介紹，這是在國際上首次利用凌星中間時(shí)刻變化（Transit Timing Variation，簡稱TTV）反演技術(shù)在類太陽恒星的宜居帶發(fā)現(xiàn)此類行星。

這項(xiàng)突破不僅點(diǎn)亮了尋找“另一個(gè)地球”的新路徑，也讓我們好奇：這種方法究竟有何特別之處？科學(xué)家們還掌握哪些尋找系外行星的妙招？接下來，就讓我們一起來探索這些令人驚嘆的技術(shù)。

凌星法：捕捉光中之影

凌星法是發(fā)現(xiàn)系外行星數(shù)量最多的方法。據(jù)NASA數(shù)據(jù)顯示，截至目前，已有4383顆行星通過這種方法被發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)一只蚊子從明亮的燈泡前飛過，雖然我們可能看不清蚊子本身，卻能察覺到光線的微弱變化——這正是凌星法的基本原理：當(dāng)行星從恒星前方經(jīng)過時(shí)，會遮擋部分恒星光線，導(dǎo)致我們觀測到的恒星亮度暫時(shí)下降。因此，即使科學(xué)家無法直接觀測到系外行星，也能通過恒星亮度的周期性變化推斷其存在。

凌星法不僅能確定行星的存在，還能提供行星的諸多信息：通過測量恒星亮度下降的幅度，就可以計(jì)算出行星相對于其恒星的尺寸比例。根據(jù)凌星時(shí)間間隔和光變特征，可以計(jì)算出行星的軌道周期和其他參數(shù)。此外，當(dāng)凌星發(fā)生時(shí)，恒星的部分光照會穿透其大氣層，通過分析這些光線的光譜，科學(xué)家甚至能推斷出該行星的大氣成分。

行星凌星光譜概念圖（圖片來源：NASA）

凌星中間時(shí)刻變化（TTV）：探測多行星系統(tǒng)中的隱形成員

盡管凌星法是目前最被廣泛使用的系外行星探測技術(shù)，卻有著明顯的觀測偏好與局限：一是更易發(fā)現(xiàn)短周期行星（例如公轉(zhuǎn)周期≤100天）；二是傾向于發(fā)現(xiàn)圍繞晚型恒星運(yùn)行的行星；三則是只能探測到軌道恰好從地球視角看來會橫穿恒星表面的行星，而這在統(tǒng)計(jì)學(xué)上只占所有行星系統(tǒng)的很小一部分。

凌星中間時(shí)刻變化反演技術(shù)作為凌星法的精妙延伸，可以有效彌補(bǔ)這一傳統(tǒng)方法在探測非凌星行星方面的不足，為尋找系外生命提供更多途徑。其原理基于一個(gè)簡單而精妙的觀察：當(dāng)一個(gè)恒星系統(tǒng)中存在多顆行星時(shí)，它們之間的引力會相互作用，導(dǎo)致已知凌星行星的凌星時(shí)間出現(xiàn)微小但可測量的變化。

讓我們設(shè)想這樣一個(gè)場景：一顆通過凌星法可見的行星，每隔固定時(shí)間就會從恒星前方經(jīng)過，導(dǎo)致恒星亮度規(guī)律性下降。理論上，它應(yīng)該嚴(yán)格按照固定周期發(fā)生。然而，如果系統(tǒng)中還存在一顆未被觀測到的行星，它的引力就會擾動已知行星的軌道，使得凌星時(shí)間出現(xiàn)提前或延后。

通過精確測量這些時(shí)間變化的模式，天文學(xué)家可以推斷出隱藏行星的質(zhì)量、軌道周期等關(guān)鍵信息，即使這顆行星本身從未被直接觀測到。

凌星中間時(shí)刻變化概念圖（圖片來源：The Planetary）

此次，中國科學(xué)院云南天文臺牽頭的國際研究團(tuán)隊(duì)正是通過分析一顆氣態(tài)巨行星——開普勒-725b的凌星時(shí)間變化，成功反演出了同系統(tǒng)中的非凌星行星——開普勒-725c。

這顆行星的質(zhì)量約為地球的10倍，屬于“超級地球”或小型海王星范疇，距離我們將近1.6億個(gè)天文單位（從地球到太陽的平均距離為一個(gè)天文單位）。它位于其宿主恒星開普勒-725的宜居帶內(nèi)，使之成為潛在的系外生命棲息地。這是凌星中間時(shí)刻變化反演技術(shù)首次在類太陽恒星的宜居帶探測到此類行星，為系外生命搜尋提供了可靠的技術(shù)路徑。

除去凌星法和凌星中間時(shí)刻變化外，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)系外行星的方法還有很多，例如視向速度法、微引力透鏡、直接成像法等。每一種都有其獨(dú)特的優(yōu)勢，它們共同編織出一張捕捉系外行星的“天網(wǎng)”，讓我們得以窺見遙遠(yuǎn)世界的奧秘。

視向速度法：行星恒星“華爾茲”

視向速度法，又稱多普勒光譜法，已幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超過1100顆系外行星。它的原理也很簡單：恒星和行星都在圍繞它們共同的質(zhì)心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)一顆巨大的行星圍繞恒星運(yùn)行時(shí)，恒星也會受到行星引力的影響而產(chǎn)生微小的“擺動”，如同一曲“天際華爾茲”。

這種“擺動”導(dǎo)致恒星周期性地靠近或遠(yuǎn)離地球，從而使其光譜產(chǎn)生多普勒效應(yīng)——恒星遠(yuǎn)離時(shí)光譜紅移，靠近時(shí)藍(lán)移。

視向速度法概念圖（圖片來源：NASA）

通過精確測量恒星光譜線的這種周期性移動，天文學(xué)家可以推斷出行星的存在及其基本特性。行星質(zhì)量越大，引起的恒星速度變化越明顯，因此，該方法更適合探測那些質(zhì)量遠(yuǎn)超木星的短周期巨行星。

微引力透鏡：被行星扭曲的光

當(dāng)行星經(jīng)過恒星和地球之間時(shí)，來自遙遠(yuǎn)恒星的光在引力的作用下會彎曲和聚焦，使其暫時(shí)看起來更亮——這就是微引力透鏡效應(yīng)。

在天文學(xué)家眼中，微引力透鏡效應(yīng)表現(xiàn)為一顆遙遠(yuǎn)恒星的亮度在約一個(gè)月內(nèi)緩慢增強(qiáng)又逐漸衰減。由于無法預(yù)知這類事件的發(fā)生時(shí)空坐標(biāo)，天文學(xué)家需要對廣袤天區(qū)進(jìn)行長期監(jiān)測。當(dāng)記錄到恒星亮度呈現(xiàn)典型透鏡變化模式時(shí)，他們便會通過數(shù)據(jù)分析來推算透鏡天體的預(yù)估尺寸。

微引力透鏡效應(yīng)在望遠(yuǎn)鏡中的表現(xiàn)（圖片來源：NASA）

直接成像法：恒星級“遮光板”

你可能會想問，這些方法都是間接推斷系外行星的存在，有沒有什么手段能使我們直接“看”到它們呢？事實(shí)上，這一任務(wù)極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)楹阈堑牧炼瓤蛇_(dá)行星的數(shù)十億倍，致使系外行星往往淹沒在恒星的強(qiáng)光輻射中。

不過，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們已經(jīng)逐漸將其變?yōu)榭赡堋＞拖裨陂_車時(shí)利用遮陽板來擋住太陽的眩光一樣，目前科學(xué)家們主要使用日冕儀（Coronography）和“遮星罩”（Starshade）來阻擋恒星的光線，從而捕捉反射大量星光的氣態(tài)巨行星，或更理想的目標(biāo)——形成初期仍保留原始熱量的年輕行星。根據(jù)行星是在可見光波段還是紅外（熱輻射）波段被成像，科學(xué)家們還能再次分析其光譜，揭示其大氣成分的信息。

日冕儀，作為望遠(yuǎn)鏡的內(nèi)部附加組件遮擋恒星光線（圖片來源：NASA）

遮星罩，作為一個(gè)單獨(dú)的航天器遮擋恒星光線（圖片來源：NASA）

目前，直接成像法仍處于起步階段，主要限于探測年輕、大質(zhì)量、遠(yuǎn)離恒星的行星。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，直接成像法在未來可能會取得更多突破，為我們提供更多系外行星的直接影像。

HR 8799系統(tǒng)中的四顆超級木星，這段鏡頭由12年內(nèi)拍攝的10張照片組成（圖片來源：Jason Wang (Northwestern)/William Thompson (UVic)/Christian Marois (NRC Herz-berg)/Quinn Konopacky (UCSD)）

截至目前，科學(xué)家們已經(jīng)確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了超過5000顆系外行星。而此次Kepler-725c的發(fā)現(xiàn)，再次證明凌星中間時(shí)刻變化法在探測宜居帶內(nèi)類地行星方面的強(qiáng)大潛力。在浩瀚宇宙之中，人類是否孤獨(dú)？追問永不停息，可能的生命回響，或許就藏匿在下一顆被發(fā)現(xiàn)的行星上。

作者：劉若冰

審核專家：李昕 北京天文館研究館員

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