天文太空

掩星任務:尋覓行星身影

兩具最新太空望遠鏡在今年升空,天文學家希望發現更多系外行星,並尋找生命的跡象。

撰文/文恩(Joshua N. Winn)
翻譯/宋宜真

天文太空

掩星任務:尋覓行星身影

兩具最新太空望遠鏡在今年升空,天文學家希望發現更多系外行星,並尋找生命的跡象。

撰文/文恩(Joshua N. Winn)
翻譯/宋宜真


窺探新世界:此為畫家的假想圖,圖中的行星擁有衛星,並繞行著紅矮星。


2017年8月21日早上,我在美國愛達荷州密德威爾市,和家人一起站在草地上引頸企盼,再過幾分鐘,我們就會覆蓋在月球的陰影下。同時,有數百萬人想盡辦法擠進俄勒岡州到南卡羅來納州的長狹地帶,期待目睹日全食。在這次日食之後,我很好奇這神奇的一刻究竟啟發了多少年輕天文迷,讓他們著迷於詭異的昏暗日光和極罕見的白色熾熱日冕。


數百年來,日食一直是人類靈感和知識的來源。我的研究不仰賴日食,而是「星食」,也就是系外行星的「凌星」現象。恆星距離我們好幾光年,目前望遠鏡無法確切看到系外行星飛掠其母恆星時的輪廓。不過,當系外行星遮蔽母恆星部份星光時,母恆星的亮度會稍微降低,我們得以知道系外行星存在。


自1999年,天文學家偵測到第一個系外行星凌星後,接下來10年他們偵測了上百個類似現象。現在,我們已找到近4000顆系外行星,主要是美國航太總署(NASA)克卜勒任務的功勞,而該任務將於今年結束。藉由凌星現象尋找系外行星是目前最有效的方法,然而透過其他方法,天文學家也發現超過700顆系外行星。整體而言,我們已找到各式各樣、超乎任何行星形成理論所預測的新行星,但我們認為這只是九牛一毛。


今年,NASA和歐洲太空總署(ESA)將發射專門藉由凌星現象搜尋系外行星的太空望遠鏡。同時,位於各個山頂的天文台也運用新望遠鏡擴大搜尋,偵測太空望遠鏡不觀測的恆星類型。這些都只是開胃菜,為了迎接ESA將在2026年發射、偵測星食的頂級太空望遠鏡。


系外行星千奇百怪


目前已知的系外行星大多來自克卜勒太空望遠鏡的觀測。這具望遠鏡在2009年發射升空、繞行太陽,專門掃描天鵝座和天琴座之間的天區,監測約15萬顆恆星的亮度變化。2013年,克卜勒太空望遠鏡兩具反作用輪(reaction wheel)失效,失去精確指向能力,計畫被迫修改,但令人驚訝的是,儘管星食頗為罕見,克卜勒望遠鏡仍可持續找到新的系外行星。


克卜勒望遠鏡找到系外行星凌星的證據,只佔它觀測恆星的百分之幾。這項證據就是恆星亮度會短暫且以固定週期減弱,每當光變曲線下沉,代表系外行星剛好通過我們的視線,導致微小的偏食。我們從恆星亮度減弱的程度可知系外行星相對於母恆星的截面積,因此較大的系外行星更容易偵測。舉例來說,從很遠的地方觀看太陽系的木星凌日,太陽亮度會下降1%,而觀察地球凌日時只下降0.01%。單靠地面望遠鏡無法測量如此微小的訊號變化,因為星光會受地球大氣嚴重干擾。因此,我們需要太空望遠鏡。


克卜勒望遠鏡可能發現將近5000顆系外行星,其中超過3500顆經分析後已確認為行星。克卜勒行星大致分兩類:大小接近地球或略大的(超級地球),或稍微比太陽系第八顆行星小(迷你海王星)。這些行星系統大多只有一顆行星,但其中數百顆恆星擁有好幾顆行星。近來還發現類似太陽系的行星系統,擁有八顆行星。這些數據反映出克卜勒望遠鏡在觀測上的特性:行星越大、距離母恆星越近,就越容易偵測,而我們也更容易得知該行星全貌。


克卜勒望遠鏡的某些發現確實令人驚奇。舉例來說,我認為其意義最深遠之處在於找到微型太陽系的證據:緊鄰這些恆星繞行的系外行星多達六顆,運行軌道甚至小於水星軌道。這些行星系統十分常見,所以非常重要;如果你在夜空中隨意選一顆類似太陽的恆星,其周遭有50%的機率會有顆體積大於地球、運行軌道小於水星的系外行星。沒人預測到這類行星在宇宙中竟如此常見,某些非常詳盡的理論甚至預測這類行星相當稀少。這表示行星形成的標準理論仍缺少某些基本要素。


克卜勒望遠鏡也發現了許多科幻作家「預測」的某些稀奇古怪的系外行星。我最喜愛的是KOI 1843.03,這顆系外行星的大小與地球相似,而且很靠近母恆星,日間溫度必定超過攝氏數千度。該系外行星表面可能覆蓋岩漿海,景色與「星際大戰」中的穆斯塔法星類似,該星球是電影中歐比王和安納金那場高潮光劍決鬥的舞台。KOI 1843.03的軌道半徑很小,公轉一周只需4.25小時,剛好夠觀賞「星際大戰三部曲:西斯大帝的復仇」正片、預告片及幕後花絮等所有內容。


另外,克卜勒16b與天行者路克的家鄉塔圖因十分相似:天空中有兩顆太陽。該系外行星繞雙星運行,這對雙星也彼此互繞。還有一顆恆星克卜勒36,周圍有兩顆行星在同一軌道上繞行,導致混亂地互相影響。即使我們得知這兩顆行星當前的位置,而且精確度小於一公尺,仍舊無法預測行星往後數十年的位置,這可說是行星等級的「蝴蝶效應」。人類的科學革命是從了解行星運動而展開,想像一下,對於克卜勒36的行星上的科學家來說,這會是多艱難的一件事!


執行克卜勒任務最初是為了回答一個古老的問題:地球型行星究竟有多普遍、或多稀少?所謂地球型行星,天文學家指的是大小和質量類似地球的行星;這種行星應該有液態水的海洋,而且必定在特定範圍內繞行母恆星,恆星的熱可融化水冰,但不致於把水蒸發成氣體。科學家把這個範圍稱為「適居帶」,他們認為液態水是地球生命的基本要素,或許在其他星球也是如此。


克卜勒望遠鏡發現了數十顆位在適居帶的地球型行星,讓我們有機會回答此問題。現在,我們該做的就是把這個數目除以克卜勒望遠鏡搜尋到的恆星數量,計算擁有地球型行星的恆星佔多少比率。這聽起來簡單,實際運算卻出奇複雜。在克卜勒望遠鏡觀察的恆星中,究竟多少是夠小、夠亮又夠穩定,讓該望遠鏡能偵測到周遭的地球型行星?答案不是那麼顯而易見,要得到答案還需要花幾年,仔細檢視數據並確定這些恆星的特性。


打開更大的觀測窗口


儘管我們熱愛克卜勒任務,這項任務仍有很大的局限。克卜勒望遠鏡主要朝一個方向觀測、只能搜尋1/400的天區。為了觀測到更多恆星以提高這項任務的價值,該望遠鏡只能往此方向的深空進行探測,典型的克卜勒恆星大多距離地球數千光年。


現在,我就像其他天文學家,喜歡用好幾拍公里(一拍等於1015)之遙的天體來炫惑讀者。但實際上,遙遠並不好,太遠的恆星十分黯淡,其發出的光僅少量進入望遠鏡。黯淡的光降低了資料的精確度,某些測量因而無法進行;例如,我們無法測量多數克卜勒行星的質量,望遠鏡接收到的凌星數據顯示的是行星直徑而非質量。由於缺乏資訊,我們無法確知究竟觀測到哪種行星,是像地球這樣緻密的固態行星?還是像木星和土星那樣瀰散的氣態行星?或介於兩者之間?我們得同時知道行星直徑和質量,才能回答這個問題。


要確定行星的質量,通常得測量恆星受行星重力影響所產生的加速度:行星質量越大,恆星受到的重力就越強。我們測量都卜勒頻移(Doppler shift)來追蹤恆星的運動,也就是恆星朝向或遠離我們而導致光波長的微小改變(我們有時也藉此發現未知系外行星,當行星並未凌星時,恆星的擺動洩漏了行星的存在)。這項技術需要高解析度的光譜儀:我們把星光依頻率展開,測量至少五萬個不同波長的光強度。不過對於黯淡的恆星來說,沒有足夠的光可以進行如此細緻的展開。


NASA的最新任務是「系外行星掩星任務衛星」(TESS),希望解決這些問題,我擔任該計畫的共同審查者。該人造衛星上裝載四具望遠鏡,每具10公分寬,只有克卜勒望遠鏡的1/10。這看起來或許很怪,通常會用越來越大的望遠鏡,而非越來越小。然而,較小望遠鏡的優勢是視野較寬廣;望遠鏡集光面積與觀測視野的反比關係是光學基本原理。TESS上每具望遠鏡可看到的天區面積是克卜勒望遠鏡的六倍,而且還能轉向偵測其他天區。TESS應該可以觀測到更多明亮的恆星,遠多於少數出現在克卜勒望遠鏡狹小視野裡的明亮恆星。


TESS已在今年4月18日成功發射,我們把天空分成26塊互有重疊的區域,以TESS監測每塊約一個月,接下來兩年會掃描大約90%的天區。我們希望TESS像克卜勒望遠鏡一樣發現數千顆系外行星,而這些行星繞行的恆星其亮度是克卜勒恆星的30倍。地面望遠鏡便能順利追蹤TESS發現的系外行星,因為相較追蹤克卜勒行星,地面望遠鏡的集光能力就像提升了30倍。


緊接在TESS任務之後,歐洲預計在今年底發射「系外行星特性探測衛星」(CHEOPS)。CHEOPS裝載一具口徑32公分的望遠鏡,執行不同卻互補的任務:TESS根據設定的模式有系統地掃描全部天區,CHEOPS目標則是某些觀測證據顯示有行星繞行的恆星,蒐集更詳細的資料。


舉例來說,TESS可能找到某顆有趣的系外行星,但統計顯著性不足。這種情況下,我或是TESS的同事就會撥熱線通知CHEOPS團隊,請他們仔細瞧一瞧。另外,科學家透過偵測半人馬座比鄰星和羅斯128(Ross 128)的都卜勒效應,已證實這兩顆距離太陽系不遠的恆星受周遭約一個地球質量的行星拉扯;CHEOPS便可觀測這些恆星的星食現象。但CHEOPS還是需要一點運氣,因為這些行星軌道完全橫貫我們視線的機率很小,例如半人馬座比鄰星,機率只有1.4%。如果我們運氣確實很好,那麼便可得到關於這些系外行星的知識,而且比用其他方式多得多。......