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系外行星简介

系外行星(Exoplanets, Extrasolar planets)是指在太阳系之外的，绕其他恒星公转的行星。1917年，天文学家第一次探测到了疑似系外行星的信号，但当时未经证实[1]。第一颗被证实的系外行星PSR B1257+12 c发现于1992年，该行星绕一颗脉冲星公转[2]。1995年，第一颗绕类太阳恒星公转的系外行星飞马座51 b（51 Pegasi b）被发现，发现该行星的天文学家Michel Mayor和Didier Queloz因此获得了2019年的诺贝尔物理学奖[3,4]。

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图1. 第一颗绕类太阳恒星公转的系外行星51 Pegasi b（左）和宿主恒星（右）的艺术想象图。图片来源：https://en.wikipedia.org/wiki/51_Pegasi_b

图2. 2019年诺贝尔物理学奖获得者James Peebles，Michel Mayor和Didier Queloz。图片来源：https://www.nobelprize.org/all-nobel-prizes-2019/

 

探测系外行星的方法有很多，可以粗略的分为间接方法和直接方法。间接方法包括视向速度法、凌星法、天体测量法和微引力透镜法，直接方法即为直接成像法[5]，其中视向速度法和凌星法是发现系外行星数量最多的方法。关于系外行星探测方法的详细介绍，请参阅系外行星探测方法。自从第一颗绕类太阳恒星公转的系外行星被发现以来，截至2024年7月，被确认发现的系外行星已超过6000颗[6]。通过观测发现，这些系外行星的性质各异，且与太阳系行星的差异较大。根据行星的轨道、大小、质量、大气等可以粗略的分为热木星、亚海王星和类地行星等。

图3. 截至2024年7月，通过各种方法已发现的系外行星。图片来源：https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/exoplanetplots/

图4. 截至2024年7月，每年发现的系外行星的数量及其发现方法。图片来源：https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/exoplanetplots/

 

热木星(Hot Jupiters)是类似木星的气态巨行星，物理性质与木星相似，但轨道周期通常小于10天，也即距离恒星很近，导致其表面大气温度极高，因此被称为“热木星”。由于其质量较大、距离恒星较近，因此容易被视向速度法和凌星法探测到。51 Pegasi b就是一颗通过视向速度法探测到的周期为4.23天的热木星。

 

亚海王星(Sub Neptune, Mini Neptune)是半径和质量介于地球和海王星之间的行星，这些行星通常拥有厚大气，但根据其半径和质量推断可能没有固体表面，仍属于气态行星。

 

类地行星(Terrestrial planet)指的是类似与地球的行星，又可分为似地行星(Earth-like planet, Earth analog)和超级地球(Super Earth)。前者指的是物理性质与地球相似的行星，后者指质量介于地球和海王星之间的行星，可能像地球一样具有固体核，也可能有较厚的大气层。天文学家和天体生物学家对此类行星尤其感兴趣，尤其是位于恒星宜居带内（恒星周围的一个轨道范围，在其中的行星表面温度可以维持液态水的存在）的类地行星。因为与地球相似的行星可能产生和维持生命，在这些行星上寻找生命信号乃至外星生命是天文学和天体生物学的前沿方向。

图5. 潜在的宜居行星（想象图）和地球及火星的比较。图片来源：https://phl.upr.edu/hwc

 

三十多年来，系外行星科学的研究非常活跃，逐渐成为了天文学的前沿方向和热点领域。观测研究已经形成了发现系外行星——精确刻画行星系统（质量、轨道参数、大气成分等）——宜居行星的发现——宜居行星的刻画的发展态势。对大量已知系外行星的统计研究，也使得天文学家在行星形成、行星轨道迁移和动力学演化等理论方面取得了一系列重要进展[7-11]。

对系外行星进行系统性的观测和理论刻画具有极其重要的科学与现实意义。这将大大加深我们对地球和太阳系的过去与未来的理解，与人类未来发展休戚相关；同时，系外行星的观测提供了我们检验太阳系的形成和演化理论的关键数据，这也极大提高了我们对地球和生命起源、太阳系天体（如火星）宜居环境的变化等方面的认识；此外，这也将有可能直接回答“人类在宇宙中是否孤独”这一重大科学问题，并且是搜寻宜居行星乃至建立地外家园的先决条件。

 

 

 

参考文献：

  1. https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/first-evidence-of-extrasolar-planets-found-in-1917-4f195f4dc158
  2. WOLSZCZAN A, FRAIL D A. A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257+ 12[J]. Nature, 1992, 355(6356): 145-147.
  3. MAYOR M, QUELOZ D. A Jupiter-mass companion to a solar-type star[J]. nature, 1995, 378(6555): 355-359.
  4. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2019/summary/
  5. PERRYMAN M. The exoplanet handbook[M]. Cambridge university press, 2018.
  6. https://exoplanet.eu/home/
  7. POLLACK J B, HUBICKYJ O, BODENHEIMER P, et al. Formation of the Giant Planets by Concurrent Accretion of Solids and Gas [J]. Icarus, 1996, 124: 62.
  8. BOSS A P. Giant planet formation by gravitational instability [J]. Science, 1997, 276: 1836-9.
  9. LIN D N C, BODENHEIMER P, RICHARDSON D C. Orbital migration of the planetary companion of 51 Pegasi to its present location [J]. Nature, 1996, 380: 606-7.
  10. RASIO F A, FORD E B. Dynamical instabilities and the formation of extrasolar planetary systems [J]. Science, 1996, 274: 954.
  11. HOLMAN M, TOUMA J, TREMAINE S. Chaotic variations in the eccentricity of the planet orbiting 16 Cygni B [J]. Nature, 1997, 386: 254-6.

 

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