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2013年11月3日

找尋另一個地球?

作者: Lok

當我們仰望天際,繁星點點,每一顆都是恆星,像太陽般發光發熱。有不少人都曾想過外星生命的出現,但孕育生命的基本條件是一個合適的環境,例如地球,但像地球的行星不會發光,怎樣才能探測她們的存在?

這些在太陽系外的行星被天文學家統稱為系外行星(Extrasolar planet/Exoplanet)。在幾十年前,地球上根本沒有任何一人知道這些系外行星的存在。直至1992年,天文學家發現有幾顆與地球質量接近的行星環繞著脈衝星(PSR B1257+12)公轉,令大家重新思考在宇宙中我們的出現是否唯一。

直至目前為止,已確實的系外行星超過900顆,這個數目和天上恆星相比雖然微不足道,但正不斷增加。到底有甚麼方法可以找到這些神秘的系外行星呢?

探測方法:
找出系外行星的方法最主要有5種,分別是徑向速度或多普勒法、凌日法、重力微透鏡、直接影像和脈衝星計時法。

1. 徑向速度(Radial velocity measurements):
大部分已確實的系外行星是透過這種方法來測定。系外行星會圍繞她的恆星公轉,因為萬有引力的緣故,當行星公轉時,恆星會有些微的移動。

每一顆恆星因為所構成的物質成分不同,每一恆星有一個獨特的光譜。透過觀測光譜上紅移/藍移的程度來確認系外行星的存在以及找出系外行星的質量。



2. 凌日法(Transit light curves):
相信有留意天文事件的人都有聽過金星凌日,金星凌日是金星運行到太陽和地球之間,三者成一直線,金星擋住部分日面,在地球上可以觀測到一個太陽上的黑影,因為部分太陽被遮掩,所以太陽亮度會降低。
系外行星可以靠類似金星凌日的方式證實。從下圖可以見到,當系外行星運行到所圍繞的恆星和地球之間時,恆星的亮度會降低。憑藉觀測恆星光度的微小變化,來確認系外行星的存在以及找出系外行星的大小。

但是這種方法有很大的限制,因為只有很少的系外行星會和所屬恆星及地球成一直線。



3. 重力微透鏡(Gravitational micro-lensing):
這種探測方法利用了廣義相對論,當地球與背景恆星之間有一恆星略過,較近地球的恆星會形成重力透鏡。因為重力令光線扭曲及聚焦,光度會隨地球與兩顆恆星愈接近一直線而愈光,即右下圖曲線。
當較近地球的恆星擁有系外行星,在曲線上會有突出的尖端,即表示光度有突然的增加。因為除了較近地球的恆星會形成重力透鏡,系外行星亦會形成重力透鏡,令光度增加。

憑藉光度的改變便可以確認系外行星的存在。

4. 直接影像(Direct imaging):
這種方法顧名思義就是用望遠鏡直接探測系外行星,但因為行星不能發光,只能反射恆星的光,所以這種觀測的有很大的難度,所探測出的系外行星大部分都比較大(比木星大幾至幾十倍)和距離所屬恆星較遠。現時有幾款望遠鏡以這種方法專門探測,包括雙子望遠鏡(Gemini Planet Imager(GPI))、VLT (SPHERE)、和昴星團望遠鏡 (HiCiao)。

下圖為拍攝到圍繞恆星HD8799的系外行星影像。


5. 脈衝星計時法(Pulsar timing):
第一顆確認的系外行星是由脈衝星計時法所發現。脈衝星發射出的輻射因為自轉而非常的規律。因此脈衝的輕微異常能顯示脈衝星的移動。和其它星體一樣,脈衝星亦會受其行星影響而運動,故此計算其脈衝變動便可估計其行星的性質,這樣便可以探測系外行星。



甚麼是適居帶?
即使找到很多系外行星的存在,要找出和地球相似的行星又是另一難題。因為恆星有不同的光度及亮度(詳情可以看文章Hertzsprung-Russel Diagram有關恆星表面溫度和亮度的關係 http://hkusuastro.blogspot.hk/2013/06/hertzsprung-russel-diagram-hrd.html),適居帶(habitable zone)的位置會有所不同(如下左圖,綠色的位置為適居帶),較熱的恆星會有距離恆星較遠的適居帶,反之亦然。但太熱的恆星生命期較短,所以只有某幾類的恆星(type G,K,M,太陽屬於type G)的行星有可能孕育出能夠通訊的生命體。適居帶顧名思義就是適合居住的地帶,有液態水的存在,以及溫度不能過高或過低。利用地球上極端地區作為分界線,溫度處於200K-373K之間被視作較大機會孕育出文明。在下右圖中展示了太陽系中,地球便位於適居帶中,而金星和火星分別為於適居帶的內外圍。

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有潛在生命的系外行星
就我們現有的認知,地球是暫時唯一擁有生命的星球,所以找出和地球相似的行星意味著有可能找到外星生命。下圖列出了和地球相似度高的行星。由0至1排列,1為完全一樣,0為完全不同。這個相似度指數是由半徑、密度、逃逸速度以及表面溫度來決定。


另外,系外行星的命名是透過她們所屬的恆星,再加上一個小階英文字母。如果恆星系統有多於一個行星,這個英文字母是跟據系外行星與母星距離的順序。如果地球是系外行星,地球將被命名為sun c。(c代表地球是太陽系中的第3顆行星)。
除了系外行星外,有些系外衛星也被視為生命的搖籃(有些科幻小說/電影都以系外衛星為題材,例如《阿凡達》),探測這些衛星的方法和探測系外行星大致相同。但由於衛星的質量通常較行星還細,所以探測的難度更大。
即使我們可以找到另一個地球,以我們目前所擁有的科技,要和外星生命溝通需要很長的傳訊時間,登陸另一個地球更是遙不可及的事,所以大家要珍惜我們現在所居住,美麗的藍色星球。

如果大家對系外行星有興趣,可以下載一個名為exoplanet的軟件,了解更多關於太陽系外的行星。


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