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一种新方法可能能够告诉科学家，系外岩石行星——与地球最相似的系外行星——是否拥有大气层。

图源：sciworthy 系外行星分类图示

在之前十年里，天文学家在”宜居带”里观测到了许多可能与地球相似的的岩石行星。宜居带是恒星周围温度适宜的区域，其中的行星表面可能存在液态水。但与地球不同的是，大部分系外岩石行星位于又小又冷而活跃的M型矮星附近，矮星的辐射与恒星风会让这些行星上几乎不可能形成大气层。现在天文界的一个主要问题是，这些系外岩石行星是否能够维持大气层。

图源：syfy 红矮星系统想象图 来源:https://488wan.com/cshi/202501-241.html

“我们从未分析过太阳系外岩石行星的大气层特征，”马里兰大学助理教授，研究报告作者伊莱扎·肯普顿告诉小发明网站。“这是分析宜居带中岩石行星特征的第一块铺路石。”研究者打算在刚从母恒星后经过前观测已知的地外行星，将总亮度与单独的恒星亮度进行比较。恒星与行星间距离的计算值能显示行星得到了多少辐射，而掩食前后的亮度差异能告诉天文学家们，这颗行星在日间重辐射了多少光线。如果行星辐射了所有的光线，那它很可能没有大气层。但少掉的光是大气层存在的证据，因为大气层可以将一些能量再分配到行星背后，或者分散开来。研究者将方法和背后的理论发表在了《天体物理学》杂志上的四篇论文里（1，2，3，4）。

图源：sciworthy 掩星法图解

其他人之前尝试过寻找地外行星上的大气层；上一年，以劳拉·克赖斯伯格为首的一支队伍通过观测地外行星LHS3844b完整绕行母恒星一周时发射的光芒，确定了它没有大气层。但发明新方法的队伍想要加快研究速度。詹姆斯·韦伯空间望远镜很有希望在2021年发射，它能让天文学家比之前任何时候都更好地了解地外行星，而天文学家肯定会激烈地争抢它宝贵的观测时间。所以这支研究队伍将目标集中于发明一种调查方法，来在仅仅一轮观测中为数十颗系外行星是否有大气层的问题提供简洁的答案。来源:https://aiyou168.com/bkjj/202412-145.html

图源：newatlas 地外行星想象图

这种方法不能告诉我们，大气层里有什么，比如是否被生物的存在改变，或者是否和我们的大气层类似。康奈尔大学卡尔·萨根学院主任丽莎·卡腾尼格在电子邮件中告诉小发明网站，她没有参与本次研究。但还是很有用的，她说。“这种方法可以用来确定哪些行星应该被作为重点，更加仔细地观测。”

这种方法还有其他缺陷，肯普顿说。宜居带里的岩石行星可能含有被水改变的物质，如黏土之类，它们的反光状况会欺骗研究者认为其上存在大气层。宜居带里，有水的行星可能有生命迹象，但天文学家不会使用这种方法研究它们。事实上，他们会重点研究更靠近母恒星的行星。

图源：nasa 太阳与另一颗红矮星的大小对比

但那也没事——研究者正在一步一步地解决问题。“我们想[用詹姆斯·韦伯空间望远镜]做的，是从简单的目标开始，” 肯普顿说。“更容易观察出特征的，是更暖而非更宜居的行星，它们占用望远镜更少的时间，也能得到更精确的结果。” M型矮星又小又冷，天文学家想知道围绕它们运行的岩石系外行星到底有没有大气层。如果的确有，那么这就是一直观测宜居带行星的原因之一。詹姆斯·韦伯空间望远镜可能是个独特的机会，来迅速确定哪些系外行星有大气层。我们只要希望它准时发射就好了。

图源：Ars Technica 詹姆斯·韦伯空间望远镜

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. Alkaid虞-Ryan F. Mandelbaum

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凌星法确定系外行星的测定原理是

相比较宿主恒星，系外行星的光度极低，一般难以被直接探测到，而且容易被母星的光芒遮挡。因此，天文学家们提出了各种间接的系外行星探测方法，并取得了一定的成功。不同的探测方法也对观测结果产生影响，导致一定的选择性和偏向性，即某些类型的系外行星更容易被发现。来源:https://488wan.com/cshi/202501-210.html

视向速度法

视向速度法（Radial Velocities，简称RV）是利用多普勒效应，通过观测行星与恒星相互绕转导致的恒星光谱的周期性变化来探测系外行星的方法。在开普勒太空望远镜升空之前，这是最具成效的确认系外行星的方法，第一颗围绕类太阳恒星运转的系外行星飞马座51b便是由该方法发现的。

视向速度法来源:https://488wan.com/zhishi/202412-81.html

视向速度法(2张)

在行星系统中，行星和恒星围绕公共质心做圆周运动。这导致在地球上的观测者看来，恒星有的时候朝向我们运动，有的时候背离我们运动。由于光的多普勒效应，恒星相向运动时，其光谱会发生蓝移；恒星相背运动时，其光谱会发生红移。恒星光谱的周期性变化也对应了系外行星的公转周期。根据谱线红移或蓝移的程度，我们就可以推测出恒星的视向速度变化，从而发现系外行星并估计其质量。 [30] 在行星质量远小于恒星质量时，我们可以推导出视向速度的表达式： [31]

其中为行星轨道周期，为轨道偏心率，为行星轨道相对黄道面的轨道倾角。 [31]

飞马座51b在一个周期内视向速度的变化图

飞马座51b在一个周期内视向速度的变化图 [28]

公式表明，我们实际利用视向速度法测得的应该是系外行星的质量下限，即由于系外行星围绕母星公转轨道平面和黄道面的夹角，导致测量结果比真实结果偏低。因而视向速度法适合探测质量较大，轨道周期较小的系外行星。而且，该方法与恒星距离地球远近无关，但实际上需要探测设备具有很高的信噪比。 [32] 否则，光谱上的噪音将淹没光谱位移的微弱信号。所以利用视向速度法，我们通常只能发现离太阳系较近的恒星附近的小质量系外行星。

现代视向速度光谱仪已经能达到大约1m/s的精度，例如智利拉西拉天文台（隶属欧洲南方天文台）3.6米望远镜安装的高精度径向速度行星搜索仪（HARPS） [32] 。以太阳为例，地球距离太阳1AU，对日视向速度贡献为0.09 m/s；木星距太阳5.20AU，对日视向速度贡献为12.7 m/s。 [33] 因此假设存在另一个遥远的太阳系，我们可以发现木星但不足以发现地球。

截止2020年11月，我们已经通过视向速度法发现了900余颗系外行星。 [2] 其中有较大贡献的有前文提到的HARPS，盎格鲁-澳大利亚行星搜索项目（AAPS），基于高级光纤阶梯光栅（AFOE）的自动行星探测器（APF）等等。正在筹备的ESPRESSO项目，其预计的视向速度测量精度为0.10m/s；还有CODEX项目，其预计的视向速度测量精度为0.02m/s [33] ，因此我们可以展望发现更多的类地行星和超级地球。

掩星法

掩星法（Transit Photometry），又称凌日法、凌星法，通过观测系外行星在视向上横穿恒星表面时，恒星光度发生的细微变化来确定系外行星的存在。首颗利用掩星法发现的系外行星是HD 209458b，一颗于1999年发现的热木星。 [34] 随着开普勒太空望远镜的升空，掩星法成为了发现系外行星数量最多的方法。

通过观测目标恒星光度的细微变化，我们可以从光变曲线中发现系外行星的蛛丝马迹。在视线方向上，当系外行星穿过恒星表面时，恒星的光度就会有一个微弱的下降，在光变曲线上形成一个“凹槽”。 [35] 这一原理即为掩食的原理。就像日食发生时，月球遮住了来自太阳的光线，抑或是发生金星凌日时，我们可以在日面上看到一个小黑点。只不过利用掩星法发现系外行星时，这一微小的光度变化不足以肉眼观测，而需要精度很高的天文设备。

金星凌日/NASA

金星凌日/NASA

但是，就像日食月食和凌日现象一样，掩星法需要一个恰到好处的轨道，只有恒星，系外行星和观测者三者近乎在同一直线上时，我们才能观测到光变曲线的细微变化。而且我们还需要确定产生这一变化的原因是系外行星发生掩星，而不是其它天文现象来源:https://488wan.com/cshi/202501-200.html。所以我们需要对目标恒星进行长时间的观测，观察到周期性的光变曲线，才能确定系外行星的发现。 [35] 另外，这一系外行星需要遮挡住足够的光线，使得仪器有所反应。因而掩星法适合那些轨道半长径较小，体积较大，轨道倾角小的系外行星。这也是为什么大多数掩星法探测到的系外行星都是热木星。由于宇宙中恒星数量众多，实际发生掩星的现象还是很普遍的。来源:https://aiyou168.com/bkjj/202412-44.html

掩星法示意图来源:https://488wan.com/cshi/202501-206.html

掩星法示意图来源:https://aiyou168.com/zhishi/202412-124.html

结合视向速度法，我们便可以推测恒星的真实质量和密度，进而对行星的物理结构有更多的了解。 [32] 截止2020年11月，我们已经通过掩星法发现了3100余颗系外行星。 [2] 其中，法国国家太空研究中心（CNES）领导的对流旋转与行星凌日卫星（COROT）（2006年发射升空，现已退役）和美国国家航空航天局领导的开普勒太空望远镜（2009年发射升空，现已退役）在掩星法发现系外行星的过程中做出了巨大的贡献，也使得掩星法发现的系外行星数量一骑绝尘。

凌星法确定系外行星的测定原理是恒星与行星绕着公共质心旋转和测量恒星亮度的变化。

凌星法的基本原理是，对于那些公转轨道面与视线方向很接近的外星行星来说，行星有可能从母恒星的前方通过，情况犹如发生在太阳系中的水星凌日或金星凌日，天文学上称为行星凌星来源:https://www.dbssx.com/cshi/202501-182.html。

在凌星期间，恒星的亮度会因被前方的行星遮掩而减弱，并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的，由此便可探知恒星周围有行星存在。这种方法小望远镜也能发挥作用，但适用的对象较少。来源:https://488wan.com/bkjj/202412-88.html

当然，因凌星现象而使恒星亮度减弱的程度是很小的，凌星发生时一颗木星大小的行星会使母恒星的亮度约降低约1%，而对地球大小的行星来说相应的数字仅为0.01%。由此可见，要通过这条途径来发现外星行星，必须有很高的测光精度。来源:https://dbssx.com/cshi/202412-66.html

行星凌星法是一种根据产生凌星现象时分析恒星亮度变化从而推算行星轨道及质量参数的一种观测方法来源:https://dbssx.com/cshi/202501-188.html。

其观测原理是在凌星期间，恒星的亮度因前方行星遮掩而减弱，并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的，由此便可探知恒星周围有行星存在。该方法是截止2015年应用最广泛的观测系外行星的方法。来源:https://488wan.com/bkjj/202412-65.html

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