搜寻系外行星的新一代地基天文台

杨峰

自1995年瑞士天文学家发现第一颗围绕类太阳恒星公转的行星飞马座51b以来，对太阳系外行星的搜寻和研究就逐渐发展成为当代天文学最前沿、最热门、最令公众感兴趣的领域。从事这方面观测的天文学家，被人们形象化地称为“行星猎人”。在行星猎人的不懈努力下，到2018年3月末，已经有3708颗系外行星被确认。得到这些成果所用的观测设备中，主要用于寻找系外行星的两个航天器——欧洲的天文卫星“科罗”（corot）和美国的空间望远镜“开普勒”（Kepler）——成果特别多。尤其是后者，其发现经常登上各类媒体。不过，地面望远镜在这方面也功不可没，仍然发挥着独特而重要的作用。这里我想介绍的，就是最近出现的专门用来搜寻系外行星的两个地基天文台——ExTra和SPECULOOS。

在“科罗”卫星于2006年年末升空之前，我们发现的系外行星都是地面观测的成果。最早期的行星猎人没有自己的专用天文台，只能使用综合性天文台的通用望远镜。但这类望远镜的观测日程往往被各类研究课题排得满满的，可供行星猎人使用的时间极其有限。于是，他们开始建造自己的观测装备，就此诞生了第一代专门用于搜寻系外行星的地基天文台。这些天文台的共同特点是：将多台完全相同的小口径望远镜聚集在一起，置于同一个圆顶之内，组成一个小规模的阵列。望远镜的主镜口径都不到0.5米，并不比某些业余天文爱好者的望远镜更大。其中最具代表性的是美国的M-Earth和欧洲的NGTS。前者包括位于美国本土的M-Earth北台和位于智利的M-Earth南台，两个天文台都由8台口径0.4米的望远镜组阵；后者是同样建在智利的欧洲南方天文台的一部分，由12台口径0.2米的望远镜构成。

2016年至2017年，环绕红矮星Trappist-1运行的7颗类地行星相继被发现，而且其中有3颗位于宜居带。美国航空航天局为此召开了新闻发布会，并被全球媒体广泛报道，成为轰动一时的重大科学新闻。取得该成果的领军人物、比利时列日大学的米歇尔·吉隆教授，还被美国《时代》杂志评为2017年度全球最有影响力的100人之一。这一发现不仅激发了人类探索系外行星的更高热情，也给行星猎人带来了两点启示：第一，在占银河系恒星总数70%的红矮星周围，甚至在数目同样庞大的褐矮星周围，存在着大量的类地行星，其中位于恒星宜居带、因而有可能孕育生命的行星总数也会很多；第二，在空间天文学蓬勃发展和地基望远镜越造越大的时代，低成本的小型地面望远镜在系外行星探测中的作用依然无可替代，首先发现红矮星Trappist-1有行星的就是一台口径0.6米的望远镜。正是在这样的背景下，搜寻系外行星的第二代地基天文台ExTra和SPECULOOS应运而生。和前面提到的NGTS一样，ExTra和SPECULOOS都成为欧洲南方天文台的组成部分，都位于智利北部的阿塔卡马沙漠地区。

ExTra是“凌星系外行星及其大气层”（Exoplanetsin Transits and theirAtmospheres）的简称，是法国的科研项目，由欧洲科学研究委员会和法国国家科研中心提供经费。ExTra天文台由3台口径0.6米的望远镜组成。和第一代搜寻系外行星的天文台相比，不仅望远镜更大，而且每台望远镜都有各自的圆顶，并由天文学家在法国格勒诺布尔进行远程控制，形成了一个既附属于欧洲南方天文台，又相对独立和完整的、很有特色的專门用途科研设施。ExTra天文台利用凌星方法，也就是监测由于行星在恒星前面通过而导致的恒星亮度下降来寻找银河系中的类地行星。由于红矮星体积小、光度低，围绕它们运行的体积类似地球的行星在凌星过程中导致的恒星变暗幅度更大，因而也更容易被探测到，ExTra就专门以距离太阳系较近的红矮星为观测目标。又因为红矮星在红外波段比在可见光波段的光度高出很多，ExTra是在红外波段进行观测，从而提高精度和效率。ExTra的具体工作方式也比较独特，是在常规的测光观测中融入光谱分析。3台望远镜对目标恒星以及另外4颗用来对比的恒星进行观测，通过这种对比来探测目标恒星亮度的微弱变化，再经由光纤把望远镜收集的星光引入一台近红外多目标光谱仪。测光观测与分光观测的这种结合，有利于消除地球大气层扰动给观测造成的影响和仪器本身引起的误差。除了找到红矮星周围的类地行星，ExTra还要研究它们的结构和组成成分等基本特征，评估它们与地球的相似程度，并回答关于系外行星的一些基础性问题，比如在银河系中行星存在的普遍程度有多大、类似Trappist-1这样的多行星系统的动力学及行星是在怎样的环境中形成，等等。ExTra已于2018年1月成功地进行了初光观测，首席科学家夏瓦尔·班菲尔斯满怀期待地说：“在欧洲南方天文台的极大望远镜E-ELT之类的下一代望远镜建成之后，我们就能研究ExTra发现的行星的大气层，以确定那里有没有可能存在生命。对系外行星的研究正在把科幻小说的内容变成现实。”

ExTra的兄弟项目，SPECULOOS的名字有点拗口，是“搜寻掩食超冷恒星的可居住行星”（The Sea rch forhabitable Planets ECIipsingULtra-cool Stars）的缩写。它是一个由上文提到的吉隆教授领导的国际项目，成员来自比利时的列日大学、英国的剑桥大学以及沙特阿拉伯的阿卜杜阿齐兹国王大学。其天文台仍在建设中，但已接近完工。SPECULOOS包含4台口径1米的自动化望远镜，分别以木星的四大卫星来命名，也都配有各自的圆顶，望远镜口径以及整体规模都大于ExTra。

建成后的SPECULOOS天文台将专门观测超冷矮星，寻找围绕它们运行的类地行星，尤其是宜居行星。超冷矮星包括两类天体：一类是光谱型为M7、M8、M9的低温红矮星；另一类是褐矮星，也就是由于质量不足而不能像正常恒星那样通过核反应发光发热的亚恒星天体，也被称为“失败的恒星”。由于超冷矮星的辐射主要在近红外波段，SPECULOOS配备了高灵敏度的近红外相机，预计会发现几十个类似Trappist-1的行星系统，并试图找到最适合由未来的巨型望远镜对其大气特征进行后续观测以期寻找生命迹象的类地行星。

相比探测系外行星的其他方法，凌星法能揭示出行星的更多信息，包括行星半径和轨道参数，甚至行星质量和大气状况。SPECULOOS天文台也将利用凌星法对距离太阳系最近的500颗超冷矮星进行观测，希望在这些最冷、最小也最暗的恒星以及褐矮星周围，找到较多位于宜居带内并且体积和质量都与地球相仿的行星，有力地推动行星科学的发展和外星生命的探索。

相信ExTra和SPECULOOS会不断给人类带来惊喜。