中國科學家領銜發現超級地球！揭秘如何找到看不見的系外行星

2025-10-16 15:50

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

2025年6月3日，《自然·天文》（Nature Astronomy）刊登了一項令人振奮的發現——由中國科學院云南天文臺（CAS）牽頭的國際研究團隊在開普勒-725系統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技術發現的開普勒-725c（圖片來源：中國科學院云南天文臺）

據中國科學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刻變化（Transit Timing Variation，簡稱TTV）反演技術在類太陽恒星的宜居帶發現此類行星。

這項突破不僅點亮了尋找“另一個地球”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。

凌星法：捕捉光中之影

凌星法是發現系外行星數量最多的方法。據NASA數據顯示，截至目前，已有4383顆行星通過這種方法被發現。

當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：當行星從恒星前方經過時，會遮擋部分恒星光線，導致我們觀測到的恒星亮度暫時下降。因此，即使科學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，就可以計算出行星相對于其恒星的尺寸比例。根據凌星時間間隔和光變特征，可以計算出行星的軌道周期和其他參數。此外，當凌星發生時，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）

凌星中間時刻變化（TTV）：探測多行星系統中的隱形成員

盡管凌星法是目前最被廣泛使用的系外行星探測技術，卻有著明顯的觀測偏好與局限：一是更易發現短周期行星（例如公轉周期≤100天）；二是傾向于發現圍繞晚型恒星運行的行星；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，而這在統計學上只占所有行星系統的很小一部分。

凌星中間時刻變化反演技術作為凌星法的精妙延伸，可以有效彌補這一傳統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。其原理基于一個簡單而精妙的觀察：當一個恒星系統中存在多顆行星時，它們之間的引力會相互作用，導致已知凌星行星的凌星時間出現微小但可測量的變化。

讓我們設想這樣一個場景：一顆通過凌星法可見的行星，每隔固定時間就會從恒星前方經過，導致恒星亮度規律性下降。理論上，它應該嚴格按照固定周期發生。然而，如果系統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，使得凌星時間出現提前或延后。

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

凌星中間時刻變化概念圖（圖片來源：The Planetary）

此次，中國科學院云南天文臺牽頭的國際研究團隊正是通過分析一顆氣態巨行星——開普勒-725b的凌星時間變化，成功反演出了同系統中的非凌星行星——開普勒-725c。

這顆行星的質量約為地球的10倍，屬于“超級地球”或小型海王星范疇，距離我們將近1.6億個天文單位（從地球到太陽的平均距離為一個天文單位）。它位于其宿主恒星開普勒-725的宜居帶內，使之成為潛在的系外生命棲息地。這是凌星中間時刻變化反演技術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路徑。

除去凌星法和凌星中間時刻變化外，科學家們發現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。每一種都有其獨特的優勢，它們共同編織出一張捕捉系外行星的“天網”，讓我們得以窺見遙遠世界的奧秘。

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，已幫助科學家發現了超過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心旋轉，當一顆巨大的行星圍繞恒星運行時，恒星也會受到行星引力的影響而產生微小的“擺動”，如同一曲“天際華爾茲”。

這種“擺動”導致恒星周期性地靠近或遠離地球，從而使其光譜產生多普勒效應——恒星遠離時光譜紅移，靠近時藍移。

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，天文學家可以推斷出行星的存在及其基本特性。行星質量越大，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量遠超木星的短周期巨行星。

微引力透鏡：被行星扭曲的光

當行星經過恒星和地球之間時，來自遙遠恒星的光在引力的作用下會彎曲和聚焦，使其暫時看起來更亮——這就是微引力透鏡效應。

在天文學家眼中，微引力透鏡效應表現為一顆遙遠恒星的亮度在約一個月內緩慢增強又逐漸衰減。由于無法預知這類事件的發生時空坐標，天文學家需要對廣袤天區進行長期監測。當記錄到恒星亮度呈現典型透鏡變化模式時，他們便會通過數據分析來推算透鏡天體的預估尺寸。

微引力透鏡效應在望遠鏡中的表現（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？事實上，這一任務極具挑戰性，因為恒星的亮度可達行星的數十億倍，致使系外行星往往淹沒在恒星的強光輻射中。

不過，伴隨著技術的進步，科學家們已經逐漸將其變為可能。就像在開車時利用遮陽板來擋住太陽的眩光一樣，目前科學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巨行星，或更理想的目標——形成初期仍保留原始熱量的年輕行星。根據行星是在可見光波段還是紅外（熱輻射）波段被成像，科學家們還能再次分析其光譜，揭示其大氣成分的信息。