【博科園-科學(xué)科普】系外行星搜尋方法，來(lái)看一種奇特而獨(dú)特的方法——即引力微透鏡。
【博科園-科學(xué)科普】系外行星搜尋方法，來(lái)看一種奇特而獨(dú)特的方法——即引力微透鏡。
一個(gè)發(fā)光的紅色星系(LRG)的哈勃圖像，引力扭曲了一個(gè)遙遠(yuǎn)的藍(lán)色星系的光。圖片版權(quán)：ESA/Hubble & NASA
在過(guò)去的十年里，對(duì)太陽(yáng)系外行星的搜尋確實(shí)已經(jīng)升溫。由于技術(shù)和方法的改進(jìn)，已經(jīng)觀測(cè)到的系外行星數(shù)量（截至2017年12月1日）已經(jīng)在2710個(gè)恒星系統(tǒng)中搜尋到3710個(gè)，其中621個(gè)系統(tǒng)擁有多個(gè)行星。不幸的是，由于天文學(xué)家們不得不面對(duì)各種各樣的限制，絕大多數(shù)都是用間接方法發(fā)現(xiàn)的。
一種較為常用的間接探測(cè)系外行星的方法被稱為引力微透鏡。從本質(zhì)上講，這種方法依賴于遙遠(yuǎn)物體的引力來(lái)彎曲和聚焦來(lái)自恒星的光。當(dāng)一顆行星經(jīng)過(guò)恒星的前面，相對(duì)于觀察者(即構(gòu)成一個(gè)軌道)時(shí)，光可以被測(cè)量，然后被用來(lái)確定行星的存在。
在這方面，引力微透鏡是引力透鏡的縮小版，在這里：一個(gè)中間物體（像一個(gè)星系團(tuán)）被用來(lái)聚焦來(lái)自位于其之外的星系或其他物體的光線。在這個(gè)方法中，監(jiān)測(cè)恒星的亮度下降以表明系外行星的存在。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，引力使時(shí)空結(jié)構(gòu)彎曲。這種效應(yīng)會(huì)使物體的引力對(duì)光線產(chǎn)生扭曲或彎曲。它也可以作為透鏡，使光變得更集中，使遠(yuǎn)處的物體(如恒星)看起來(lái)更明亮。只有當(dāng)兩顆星幾乎完全對(duì)準(zhǔn)觀察者(即位于另一個(gè)位置)的相對(duì)位置時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生這種效應(yīng)。
這些“透鏡事件”是短暫的，但也是豐富的，因?yàn)槲覀冃窍抵械牡厍蚝秃阈强偸窍鄬?duì)的移動(dòng)。在過(guò)去的十年中，有一千多個(gè)這樣的事件被觀察到，并且通常持續(xù)幾天或幾周。事實(shí)上：這一效應(yīng)被阿瑟·愛丁頓爵士在1919年使用，為廣義相對(duì)論提供了第一個(gè)驗(yàn)證證據(jù)。
這發(fā)生在1919年5月29日的日食期間，愛丁頓和一個(gè)科學(xué)探險(xiǎn)隊(duì)來(lái)到了位于西非海岸的普林西比島，拍攝了現(xiàn)在在太陽(yáng)周圍地區(qū)可見的恒星的照片。這些照片證實(shí)了愛因斯坦的預(yù)測(cè)，即這些恒星的光線是如何在太陽(yáng)的重力場(chǎng)作用下微微移動(dòng)的。
這項(xiàng)技術(shù)最初是由天文學(xué)家Shude Mao和Bohdan Paczynski在1991年提出的，目的是為了尋找雙星的恒星。他們?cè)?992年由安迪·古爾德和亞伯拉罕·勒布提出，作為探測(cè)系外行星的一種方法。這種方法在尋找行星向銀河系中心時(shí)是最有效的，因?yàn)殂y河系的膨脹提供了大量的背景恒星。
引力微透鏡法優(yōu)點(diǎn)：
微透鏡是唯一一種能在離地球很遠(yuǎn)的地方發(fā)現(xiàn)行星的已知方法，并且能夠找到最小的系外行星。而徑向速度法在尋找距離地球100光年的行星時(shí)是有效的，而傳輸光度法可以探測(cè)到數(shù)百光年之外的行星，而微透鏡則可以發(fā)現(xiàn)數(shù)千光年以外的行星。
雖然大多數(shù)其他方法都有對(duì)較小的行星的探測(cè)傾向，但微透鏡法是探測(cè)大約1 - 10個(gè)天文單位(AU)附近的行星的最敏感的方法。這使得它在與徑向速度和傳輸方法相結(jié)合時(shí)特別有效，這可以證實(shí)系外行星的存在，也能準(zhǔn)確估計(jì)行星的半徑和質(zhì)量。
綜上所述，這些優(yōu)點(diǎn)使得微透鏡成為尋找類地行星的最有效方法(單獨(dú)或與其他方法相結(jié)合)。此外微透鏡測(cè)量可以有效地安裝在地面設(shè)施上。像傳輸光度法一樣，微透鏡法的好處在于它可以用來(lái)同時(shí)測(cè)量成千上萬(wàn)顆恒星。
引力微透鏡法缺點(diǎn)：
因?yàn)槲⑼哥R事件是獨(dú)一無(wú)二的，不需要重復(fù)，任何使用這種方法探測(cè)到的行星都將不再被觀測(cè)到。此外，那些被發(fā)現(xiàn)的行星往往是非常遠(yuǎn)的，這使得后續(xù)調(diào)查再觀察幾乎是不可能的。這使得微透鏡成為一種檢測(cè)系外行星候選者的好方法，但是對(duì)于確認(rèn)候選者來(lái)說(shuō)，這是一種非常糟糕的手段。
微透鏡的另一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)對(duì)行星的特性施加限制時(shí)，它會(huì)有相當(dāng)大的誤差。例如：微透鏡測(cè)量只能對(duì)行星的距離產(chǎn)生粗略的估計(jì)，因此誤差很大。這意味著距離地球幾萬(wàn)光年的行星會(huì)產(chǎn)生距離估計(jì)幾千光年的距離。
微透鏡也無(wú)法對(duì)行星的大小做出準(zhǔn)確的估計(jì)，而質(zhì)量估計(jì)則受制于松散的約束條件。軌道性質(zhì)也很難確定，因?yàn)槲ㄒ豢梢灾苯佑眠@種方法確定的軌道特征是行星的當(dāng)前半主軸。因此，行星的偏心軌道只能探測(cè)到它的一小部分軌道(當(dāng)它離恒星很遠(yuǎn)的時(shí)候)。
由于行星間質(zhì)量比的結(jié)果，引力微透鏡效應(yīng)增加，這意味著最容易探測(cè)到低質(zhì)量恒星周圍的行星。這使得微透鏡在尋找低質(zhì)量、m型(紅矮星)恒星周圍的巖石行星上起著有效的作用，但它卻限制了大質(zhì)量恒星的有效性。最后，微透鏡依賴于罕見的隨機(jī)事件——一顆恒星恰好在另一顆恒星前面，就像從地球上看到的那樣——這使得探測(cè)變得既罕見又不可預(yù)測(cè)。
引力微透鏡觀測(cè)例子：
依賴于微透鏡方法的調(diào)查包括華沙大學(xué)的光學(xué)引力透鏡實(shí)驗(yàn)(OGLE)。這個(gè)國(guó)際項(xiàng)目由該大學(xué)天文觀測(cè)站的主任Andrzej Udalski領(lǐng)導(dǎo)，在智利的Las Campanas使用1.3米的“華沙”望遠(yuǎn)鏡，在銀河系周圍的100顆恒星周圍尋找微透鏡事件。
華沙大學(xué)的天文臺(tái)，用于進(jìn)行OGLE項(xiàng)目。圖片版權(quán)：ogle.astrouw.edu.pl
此外新西蘭和日本的研究人員之間進(jìn)行的一項(xiàng)合作研究發(fā)現(xiàn)，在天體物理學(xué)(MOA)組中也有微透鏡效應(yīng)。由名古屋大學(xué)的Yasushi Muraki教授領(lǐng)導(dǎo)，該小組使用微透鏡法對(duì)暗物質(zhì)、外太陽(yáng)系行星和南半球的恒星大氣進(jìn)行觀測(cè)。
然后是探測(cè)透鏡異常網(wǎng)絡(luò)(行星)，它由分布在南半球的5個(gè)1米望遠(yuǎn)鏡組成。在與RoboNet的合作中，這個(gè)項(xiàng)目能夠提供近連續(xù)的觀察，以觀察由與地球的質(zhì)量一樣低的行星所引起的微透鏡事件。
要了解更多信息，請(qǐng)查閱美國(guó)宇航局關(guān)于太陽(yáng)系外行星探索的網(wǎng)頁(yè)，行星協(xié)會(huì)的太陽(yáng)系外行星頁(yè)面，以及美國(guó)宇航局/加州理工學(xué)院的系外行星檔案。
知識(shí)：科學(xué)無(wú)國(guó)界，博科園-科學(xué)科普
參考：NASA – 5 Ways to Find a Planet
Planetary Society – Microlensing
Wikipedia – Methods of Detecting Exoplanets
作者：Matt Williams
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