窦江培 朱永田 任德清

①副研究员，②研究员，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，中国科学院天文光学技术重点实验室，南京 210042；③副教授，加州州立大学北岭分校天文物理系，California 91330-8268

太阳系外行星的研究现状*

窦江培①朱永田②任德清③

①副研究员，②研究员，中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，中国科学院天文光学技术重点实验室，南京 210042；③副教授，加州州立大学北岭分校天文物理系，California 91330-8268

太阳系外行星；系外生命；探测技术；地基望远镜；空间观测计划

太阳系外行星探测是当今国际天文学研究的热点，其探测方法分为间接探测和直接成像。目前，已发现的上千颗系外行星主要是通过视向速度法和凌星法等间接方式探测到的，而直接成像技术将有望获取行星温度、大气等更全面的物理信息。其中，通过对类太阳恒星宜居带内的类地行星进行成像观测和大气光谱分析，将有望捕获太阳系外生命信号，进而解答“人类在宇宙中是否孤立？”这一基本科学问题，从而突破人类对生命的现有认识。因此，该领域的研究具有较高的公众关注度。

1 系外行星探测概况

太阳系外行星指围绕除太阳外其他恒星旋转的行星系统。1995年，Mayor和Queloz采用视向速度法(简称RV，也被称为多普勒效应法)首次探测到围绕主序星飞马座51旋转的行星，被认为是里程碑式的发现[1]。该发现首次回答了“太阳系之外的类太阳恒星周围是否存在行星”这一基本科学问题。然而，该行星与太阳系内行星有着很大的差别，其围绕主星旋转只需要4天(太阳系内最近的水星公转周期接近88天)，反映了太阳系外行星系统的多样性。随着太阳系外行星探测技术手段突飞猛进的发展，行星的科学研究也随之不断深入，相应的观测结果对现有行星形成和演化理论提出了新的挑战。

根据exoplanet.eu官网统计，已发现确认有 1 770多颗太阳系外行星，3 800多颗系外行星候选体仍需进一步认证。其中，发现的行星中绝大多数为气态巨行星(400多颗)和热木星(990多颗)，部分为超级“地球”(1～10个地球质量，190多颗)，若干地球质量或地球大小的行星(70多颗)，尚未确认存在生命的类地行星系统。图1给出了已探测到系外行星的轨道半长轴与质量分布(采用了exoplanet.eu官网3月份数据)。图中，绝大多数行星分布在绿色直线以上，不同颜色直线代表了各种技术手段目前的探测局限：凌星法观测确认的行星多数为近轨道(0.006～2 AU之间)，视向速度法(难以探测小于0.3木星质量且周期超过5.5年的行星)，直接成像法易于探测长轨道行星(3～几百AU)。

对太阳系外行星的科学研究与探测技术手段的发展密不可分。其中，以HARPS地基科学仪器为代表的RV方法现有视向速度探测精度已经达到0.97 m/s，将可探测到的行星发展到几个地球质量[2]。中国开展太阳系外行星RV搜寻的主要有国家天文台赵刚研究员所在团队，基于由南京天文光学技术研究所(NIAOT)研发的高分辨率光谱仪，RV探测精度达到5～6 m/s，用于巨行星的搜寻。以Kepler空间观测计划为代表的凌星法已经能够发现地球大小和岩质行星[3-4]。而且，凌星法能够在可见光和红外波段对行星大气进行简易的光谱分析[5-6]。微引力透镜方法能够探测到小质量的行星(>0.1个地球质量)，轨道可以延伸至几个天文单位(AU)[7]。该方法观测目标距离地球相当遥远，尚难以与其他技术手段进行互补观测或者进行再认证观测。天体测量技术有望探测20 pc(秒差距，1 pc≈2.06×105AU≈3.26光年)以内的恒星宜居带内地球质量大小的行星[8]。美国国家航空航天局(NASA)提出的太空干涉测量(SIM)以及欧洲航天局的近地小行星追踪(Near Earth Astrometric Telescope，NEAT)微角秒精度天体测量计划由于受到经费限制或其他原因，目前已经被取消。欧洲航天局的盖亚(2013年12月发射)空间天体测量计划主要开展空间巡天探测，定位精度10～20 μas，系外行星方面的科学目标主要针对类木行星。近期，中国科学院国家空间科学中心研究团队提出了STEP空间计划，其目标探测精度将能够达到0.5 μas，该计划将搜寻近距(20 pc以内)类太阳恒星(F、G、K型)宜居带内的类地行星，并期望精确获取该类行星系统的三维轨道信息和动力学参数。

以上的间接探测手段都是通过探测恒星信号的变化来推断行星存在的(例如：RV方法是观测行星对主星牵引产生的光谱周期移动；凌星法是观测行星经过主星对其遮挡产生的光变信号；天体测量方法是通过观测行星对恒星牵引产生的位置周期变化)，尚难以精确测量行星大气的组成。直接成像技术将有望捕获来自行星的光子信号，通过光谱分析可以获得行星大气环境、组成、有效温度及表面重力等重要物理信息，进而确认其上面是否支持或已经存在生命。目前，通过直接成像方法确认的40多颗系外行星，主要基于8~10 m等地基望远镜开展的，其观测成像对比度达到10-5，近期对HR8799多行星系统的观测结果已经突显该技术的优势[9]。其中一个重要原因：最早发现具有行星星子、行星胎盘的是A型恒星，然而首次发现A型恒星周围存在行星的北落师门[10]和 HR8799系统，是通过直接成像技术实现的。

图1 已探测到的系外行星轨道半长轴-质量分布图

2 类地行星的定义及系外生命探测方法

2.1 构成类地行星的几个重要参数

(1) 质量：1~10个地球质量

一方面，质量过小将难以维持大气环境。例如，太阳系内的火星虽然也位于宜居带(HZ)内，但其质量接近0.1个地球，使其内部热量耗散极快，大气逐步逃逸[11]。另一方面，质量不能过大。如大于10个地球质量的行星，将聚集星云气体而最终形成气态或冰态巨行星。

图2 存在生命的行星其大气反射光谱拟合曲线

(2) 轨道：位于宜居带，对类太阳恒星而言，在0.8~1.8 AU之间(不能太热，也不能太冷)，从而能够维持液态水的存在。

(3) 岩态：与地球密度相当，生命可以着陆在其上生活并繁衍。

2.2 系外生命探测方法

系外生命探测方法包括被动式接收和主动式搜寻两类。

被动式接收：如国际搜寻外星文明(Search for ExtraTerrestial Intelligence，SETI)计划，将通过全球射电望远镜网络捕获地外高等生命发向地球的射电信号。至今SETI 计划尚未接收到来自地外生命发出的信号。

主动式搜寻：基于人类对现有生命存在形式的认识展开，即最终通过寻找类太阳恒星周围宜居带内的类地行星，进而开展大气光谱分析，来确认地外生命信号的存在。

上述间接探测手段(详见第1部分)有望在不久的将来搜寻到位于类太阳恒星HZ内的地球质量大小的岩态行星。例如：凌星法有望探测到地球大小的行星；高精度天体测量有望确认地球质量的行星，并精确测量行星的质量和轨道等信息。

对类地行星进行直接成像观测和光谱分析将能够研究其大气化学元素的精确组成，期望最终确认生命信号。探测太阳系内的行星可以通过发射着陆器(美国NASA先后发射的勇气号、机遇号火星车)或者近距观测卫星(先后发射Voyager flybys等卫星近距观测土星)对其进行高分辨率成像观测和研究。探测太阳系外行星上的生命将受到人类现有技术的限制，即只能够通过遥测行星生命对其大气环境及表面产生的影响来确认。如果在系外行星大气中同时探测到较大量的O2和微量甲烷或N2O，则被认为是生命存在的最有力的证据[12]。

对类地行星进行谱征分析的挑战性在于直接成像，即需要首先直接捕获来自行星的光子信号。由于太阳系外类地行星与主星辐射对比度相差悬殊，在红外(自身辐射占主导)和可见光波段(主星经过行星反射光信号)分别为10-7和10-10，且距离主星极近，致使来自行星的微弱光子信号被淹没在极强的主星背景光中。对太阳系外行星进行直接成像需要解决两大技术难题：①望远镜孔径引入的衍射光子噪声；②光学系统波前畸变引入的散斑噪声[13]。高对比度成像星冕仪能够有效压制或削弱望远镜孔径产生的衍射光，成像对比度理论上可以高达10-10，使得直接探测系外行星成为了可能[14-15]。然而，光学系统不理想表面将在系统点扩散函数(PSF)图像上产生散斑噪声，需要对系统的波相差进行精确控制，其RMS需要控制在1/10000波长[16]。国际在研的系统多数采用两步来完成，即第一步精确测量或重构系统的静态波相差，第二步再通过可变形镜(DM)产生反相相位对其进行校正。NIAOT系外行星探测技术研究团队率先提出了一种基于焦面PSF评价机制的多次迭代优化控制技术，能够单步实现静态波相差的精确校正，而无须再探测系统的波前畸变信息，目前该实验系统校正精度在可见光波段RMS达到3×10-4波长[17-19]。

在直接探测到来自类地行星的光子之后，可以通过将其引入中低分辨率的光谱仪(分辨率R为50~100)来对其大气进行光谱分析。图2给出了基于Earthshine的观测数据(太阳光经由地球表面大气反射照向月球之后的再次反射)，拟合出的存在生命行星在可见光及近红外波段的反射光谱曲线。研究表明，支持生命最重要的化学元素氧气的光谱窗口在0.68和0.76 μm，水的特征吸收光谱分别在0.72、0.82和0.94 μm，O3则覆盖了可见光较宽的波段(0.5~0.7 μm)，详见Woolf 2002和Turnbull 2006文章[20-21]。

要确认太阳系外类地行星大气中支持生命生存的气体O2、水及其附属产物O3，需要发射光学/近红外成像望远镜，配备高对比度星冕仪，并对其波相差进行精确控制，目标成像对比度达到10-10。生命活动产生的微量气体如CH4(7.7 μm)或者N2O等特征光谱在中红外波段[22]。因此，需要空间零位干涉望远镜(如NASA原来的Terrestrial Planet Finder简称TPF计划，其中TPF-I干涉成像计划)来对类地行星进行热辐射光谱分析。

3 系外行星探测发展趋势

目前，RV技术水平适宜探测近轨行星，需要技术突破以探测HZ内地球质量的行星，如引入激光频率梳定标技术有望将视向速度探测精度提高至cm/s[23]。Kepler空间望远镜的发射取得了巨大的成功，在运行3年多的时间里先后确认了960多颗太阳系外行星和3 000多颗行星候选体，并将探测系外行星推到了前所未有的高度(即探测到地球半径或质量的行星系统)[3-4]。由美国MIT主导的Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS)空间计划将观测更亮的G、K型恒星(比Kepler目标亮30～100倍)，覆盖天区为Kepler空间计划的400倍，预期发现3 800颗太阳系外行星，其中包含500颗1~2倍地球半径的行星)。

现有大中口径和未来极大口径地基望远镜都在开展和计划进行太阳系外行星天文成像观测研究，其发展趋势是研发 “超级”自适应光学系统(Ex-AO)，配备高对比度星冕仪，最终目标成像对比度为10-7~10-8，将有望探测到上百颗年轻的木星质量级别的行星，并进一步获取上述行星的红外波段光谱[19,24-28]。基于未来空间望远镜研发高对比度成像星冕仪，目标成像对比度达到10-10，用于在可见光至近红外波段开展类地行星成像观测，并通过光谱分析遥测其大气环境。其发展趋势是在近角距离(1～4 λ/D)内获取超高对比度[29]。美国NASA提出的TPF类地行星成像空间计划，都由于经费原因处于无限期搁置状态。近期，先后提出了多个战略先导空间计划，包括ACCESS(a coronagraph concepts for the direct imaging and spectroscopy of explanetary systems)和EXCEDE(exoplanetary circumstellar environments and disk explorer)，目标是将发射小口径(0.7～1.5 m)望远镜开展类地行星、岩质行星的直接成像观测和谱征分析研究[30]。NIAOT系外行星探测研究团队在中科院空间先导专项预先研究项目的资助下，提出了一种兼备高对比度、宽波段、大探测区域的星冕仪技术[31]，并初步开展了相关关键技术实验研究，目前实验成像对比度在PSF的1/4~1/2区域内达到10-9。下一步将成像对比度提高10倍，为将来发射空间天文卫星JEEEDIS(Jupiter/Earth-twin Exoplanets and Exo-zodiacal Dust Imager and Spectrometer)和ELSS(Exo-Life Search Satellite)开展系外生命信号搜寻做好技术准备。

太阳系外行星搜寻已成为当今天文学最活跃的研究课题之一。其潜在的研究成果有望解答“人类在宇宙中是否孤立？”这一基本科学问题。可以说，我们很幸运地站在回答这一问题的边缘，目前诸多关键技术的突破，将有望在未来10～20年内搜寻到位于宜居带内的地球质量的岩质行星，并有望在不久的将来直接获得来自类地行星的光谱，精确分析其大气组成，从而最终确认系外生命信号的存在，这将彻底改变人类对生命的现有认识，即地球将不再是宇宙中生命存在的中心。要实现这一梦想，需要整个人类共同的努力。

(2014年2月25日收稿)

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Current research status of exoplanets

DOU Jiang-pei①, ZHU Yong-tian②, REN De-qing③
①Associate Professor ②Professor, National Astronomical Observatories, Nanjing Institute of Astronomical Optics & Technology; Key Laboratory of Astronomical Optics & Technology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210042, China；③Associate Professor, Physics & Astronomy Department, California State University Northridge, 18111 Nordhoff Street, Northridge, California 91330-8268

Exoplanets search is one of the hottest topics in modern astronomy. The detection method includes indirect detection and direct imaging. Currently, over 1 000 exoplanets have been confirmed mainly by the indirect detection method such as radial velocity. While the direct imaging study of an exoplanet will allow to characterize its important physical parameters such as the atmosphere and temperature. Furthermore, to study the atmosphere of an Earth-like exoplanet in the habitable zone of a solar type star by imaging and further spectroscopy analysis will allow us to confirm the Exo-life signal, which will help to finally answer “Are we alone in the universe?”, which is one of the most fundamental scientific questions. The research of Earth-like exoplanets will allow us to make a breakthrough on our current knowledge of life, which has been keeping a high attention rate in public domain.

exoplanet, exo-life, detection technique, ground-based telescope, space detection mission

(编辑：温 文)

*国家自然科学基金(11220101001、11373005、11328302)，国家天文台和John Templeton Foundation基金，中科院空间科学预先研究项目(XDA04070600、XDA04075200)和南京天文光学技术研究所优秀青年人才领域前沿项目

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.02.005