如果把冥王星也算作行星的話，我們會發現太陽系的行星遠遠不止八顆。
余聰· 中山大學物理與天文學院教授
我是來自中山大學的余聰，主要從事一些和天文相關的研究。今天很高興在這裡介紹一下系外行星。
這個 「系」是指太陽系，那麼有系外，肯定會有系內。太陽系內的行星，原來是九大行星，但是天文學家了發現最遠的那顆冥王星。
系外行星
已完成：10%//////////
其實有很多和它類似的小天體，如果把冥王星也算作行星的話，我們會發現太陽系的行星遠遠不止八顆。
大家可以看到這個圖上，靠內的有四顆，靠外有四顆，靠內的就是類似於地球的行星，靠外的話就是個子比較大，是氣態的巨行星。
那麼，太陽系外是什麼情況呢？
這張圖是太陽系在銀河系裡面的位置，大家看到黃色的一個小圈就是我們所處的太陽系。它和銀河系相比起來，確實微不足道，我們就是一個渺小的太陽系。
圖上的開普勒是探測系外行星的一個空間望眼鏡，這個黃色的三角型區域就是它所觀測的天區，其實這麼一個天區和整個銀河系比起來也是很小的。
但就是這麼小小的區域，天文學家在裡面發現四千多顆行星。
看這個圖上有很多旋轉的一些圓圈，這就是天文學家找到的行星。大家可以看到這個行星距離中央的恆星距離遠近不同，顏色也不同，不同的顏色表示它的溫度也不同。
因為離主星距離遠近不同，它表面的溫度也會不一樣。因為遠近不同，它運動的週期也會不一樣，這些都是形態各異的行星系統，它們的多樣性遠遠超過天文學家的預期。
藉助空間設備，天文學家在系外行星領域取得了巨大的進展。
▲ 2019年諾貝爾物理學獎
圖上右邊這兩位科學家，是2019年系外行星的一些先驅的研究者，因為發現了第一顆在類似太陽恆星周圍的系外行星，獲得了2019年諾貝爾物理學獎。
▲ 飛馬座51b：類木氣態巨行星，不適宜人類居住
質量~0.5 木星質量
半徑~2木星半徑
他們發現的是飛馬座51b，它跟我剛才說的太陽系靠外的那四顆一樣，是類似木星的氣態巨行星。這種氣態巨行星不太適合人類居住，它的質量大概是我們太陽系內木星質量的一半。
▲ 類地行星
比鄰星b ~ 4 光年
大小和地球類似
開普勒還發現了一種類地的行星，是距離我們最近的一顆比鄰星，在比鄰星周圍發現了比鄰星b。
它距離我們大概四光年，它的大小和地球類似，它也可能處於宜居帶內，可能會有液態水存在，這樣一個行星是天文學家特別感興趣研究的目標。
行星目標非常小，天文學家是靠什麼辦法來觀測的呢？大概有兩類，一類是比較間接的辦法，還有一類是比較直接的辦法。
▲ 視向速度：多普勒效應
朝向觀測者速度為負，遠離觀測者速度為正
比較間接的方法，專業術語叫「視向速度」，比如我們在火車站月臺上等火車過來，火車呼嘯而過，當它朝向我們的時候，呼嘯音調越來越高；
離開月臺的時候，火車的音調會降低，音調錶示頻率，頻率的變化可以推斷這個火車的速度。
現在研究系外行星，就相當於有一個火車在這個星球裡面。圖上藍色點是行星，黃色點是恆星，因為恆星和行星相互繞轉，就相當於有一輛火車。它有時候會靠近我們，有時候會遠離我們，週而復始來回這麼運動。
在運動過程中就會產生像我剛才說的火車呼嘯的聲音，音調變高變低的效應，現在研究系外行星就不是火車發出的聲波，而是恆星發出的光波。
通過這個光波，它也有頻率，也會上升、下降，我們通過監測這個頻率的上升、下降，就可以推測行星的一些資訊。
大家看到這個像山峰一樣上去、下來，上去、下來，就是一個理想的示意圖，它會產生視向速度的變化。
但實際上天文觀測是這樣子的，大家看圖。因為天文學家也要靠天吃飯，如果當天天氣不太好，或者有云遮擋的話，我們可能拿不到資料點。
▲ 視向速度：多普勒效應
通過視向速度曲線，推測行星的物理性質
圖上黃色的點就是天文學家拿到觀測的一些資料點，如果你把那些點慢慢用曲線連接起來，就可以得到剛才上一幅類似的那個視向速度的曲線。
我們通過視向速度，來推測行星的質量。
除了推測行星質量以外，用這種方法還可以得到一個很有用的資訊，就是行星繞恆星的軌道傾角。
▲ 行星的軌道傾角
最上面那一行圖就是恆星在自轉，黃色表示恆星，恆星一般也在自轉，我們知道太陽也在自轉，自轉一圈大概是27天。
它自轉的話，也會產生一個類似剛才說的火車那個效應，因為自轉它有一部分是遠離我們，有一部分是朝向我們。
那麼，看中間那一行圖，大家可以看到，紅色區域是遠離我們，藍色區域是靠近我們，有藍色、紅色在那裡打轉，就會產生相當於火車那樣的效應。
如果這個行星像左邊第一幅圖那樣平平的穿過，你可以看到它擋住藍色的部分跟擋住紅色的部分是對稱的；
第二行中間那幅圖，如果它有傾角，那行星擋住藍色的部分變少，擋住紅色的部分就會變多；如果傾角再大一點，如第三幅最右邊那幅圖，它完全不擋住藍色部分，它只擋住紅色部分。
最下面那一行圖是對應視向速度，最左邊的比較對稱，中間就不那麼對稱，最右邊就完全不對稱。天文學家就可以根據不對稱性來推測這個行星的軌道傾角，這對了解行星的形成也是非常重要的一個資訊。
另外一種方法，是大家可能比較熟悉的通過凌星觀測系外行星。比如，我們經常看到新聞報道有日食，這是因為月亮在地球和太陽之間，月亮把太陽的光擋住了，擋得多的話，就變成全食，擋得少就變成了偏食。
▲ 凌星觀測系外行星
如圖，光線隨著時間的變化，月亮繞過日面，開始沒有遮擋，它的高度、亮度就是最左邊那條比較平的亮度線。
▲ 凌星觀測系外行星
擋住的時候，相當於在底下挖出一個坑，然後當月亮慢慢地走出日面，亮度又會回升起來，就形成中間有個坑的光變曲線。
行星同樣可以起到這樣的作用。
大家可以看這個小電影，如果行星處在恆星和地球之間，行星擋住它所圍繞的恆星，也會造成亮度的變化，形成一個坑。
通過凌星這個信號，我們就可以推測這個行星的大小。如果行星個子夠大，像月亮一樣，就可以變成全食；如果行星的個子小一點，可能挖的坑就比較淺，通過坑的深淺來推測這個行星的大小。
我們通過凌星觀測方法，發現了很多系外行星系統。
這其中有一個特別好玩的，我們紅矮星周圍發現了7顆行星，我們叫它「葫蘆7兄弟」。它和太陽系有一個顯著不同就是這個非常緻密，相當於我們在太陽系水星軌道內，擺上7顆行星，而且他們排列非常緻密，排布也比較均勻。
這是很多系外行星不同於太陽系的特點，這也是為什麼我們很著迷研究系外行星的一個原因。
剛才說的兩個都是間接的辦法，當然還有很直接的，比如說直接成像。
▲ 直接成像
大家可以看到這張圖中有4顆星體，如果仔細看的話，有4顆亮點圍著中間那一團在運轉，這個就是通過給行星直接成像拍攝到的4顆系外行星。
這裡有一個技術難點，因為在地球上會碰到湍流，如果大家坐飛機，有時候空乘人員會提醒我們飛機在顛簸，那就是說遇到了湍流，湍流就會引起振盪。
如果望遠鏡遇到了空氣中的湍流，這個像就會抖動，那樣的話就看不清楚。如果用合適的技術把這個抖動剔除掉，類比我們給近視眼戴上了近視眼鏡，感覺世界突然一下變得好清晰。
這幅圖表示這種技術，就可以用到左邊這個系外行星的探測上面來獲得它的直接成像。
當然這是在地球上，現在也把望遠鏡放到天空上去，我國和國際的研究水平在這個領域還有差距，但是我們也在奮起直追。
▲ 系外行星迅猛發展
上左：Kepler 上右：TESS 下：CSST
最下邊這個圖就是空間站工程的巡天望遠鏡，天文學家在這個望遠鏡上擺了一個星冕儀。
它不僅可以著眼於宇宙學的研究，還可以探測系外行星的大氣，相當於直接給大氣成像，然後探測系外行星大氣裡面的一些資訊。
比如它的化學組成，它的溫度分佈等，還可以得到很多系外行星的知識。未來系外行星一定也可以做出很重大的發現。
系外行星是怎麼形成的？
已完成：60%//////////
我們發現這麼多系外行星，大家肯定會好奇這個系外行星怎麼形成的。
這個扁平的結構，叫做吸積盤。大家可以看到行星在這個盤裡慢慢地聚集、長大，然後盤慢慢消失。
行星就圍繞中央的恆星在旋轉，形成我們現在觀測到的多樣化的行星系統。
▲ 行星形成的基本過程
行星形成過程有四個非常重要的步驟。
首先是分子云的塌縮，塌縮之後，比如說縮小一千倍，然後形成吸積盤。
吸積盤和行星之間的相互作用，這個盤慢慢消散掉，只留下中間繞恆星旋轉的行星。
在第一步到第二步的時候，這個當中會發生體積收縮，這裡面有一個新名詞叫「角動量」。
如果大家看過花樣滑冰運動員就應該理解了，花樣滑冰運動員在開始的時候，把手打開，旋轉得很慢。當他收攏的時候，他就會旋轉得很快，這說明角動量是守恆的。
當它收攏的時候，相當於第一幅圖分子云在塌縮，塌縮的時候，角速度就會增大，就像廚師甩出印度飛餅一樣，會甩出一個餅狀的結構，就是天文學家所說的吸積盤。
這個吸積盤對行星形成具有重要作用，有了這個盤大概有兩個通道可以形成行星，這取決於這個吸積盤的質量。
第一個通道就是當這個吸積盤的質量夠大，因為大質量的吸積盤裡面的引力不穩定性。
引力的話就相當於牛頓發現蘋果落地，就是因為兩個物體之間會相互吸引，大質量吸積盤就會形成大質量的行星，大家可以看一下這個小電影。
這個吸積盤在形成的時候會旋轉，你可以看到一個像S型的結構，然後這些S相互碰撞，最中心形成一顆很亮的恆星。
在外圍，大家仔細看會有兩個很亮的斑點，出現第一個，現在第二個也出現了，這兩個斑點就是形成了大質量行星。
第二個通道就是如果吸積盤的質量比較小，引力不穩定性就不工作了。
大家可以看一下這個小質量的，看到它只是在那兒轉轉轉，並沒有出現剛才說的那種小的很亮的斑點，只是中間形成了一顆恆星，就沒有形成周圍的行星。
在這個通道上，塵埃起著非常重要的作用。
▲ 塵埃→星子→行星胚胎
這個通道里面，盤裡不光有氣體，還有塵埃，塵埃像我們通常所說的PM2.5，很小的顆粒，相互碰撞，粘在一起，逐漸長大。
長大以後變成星子，這個星子可能變成巨大的岩石塊，達到公里量級，就是一公里大小的這種大石頭，在行星形成早期會有這種，而且非常多數目。
這些公里大小的石塊在繞著恆星飛舞的時候，它們之間同樣也會相互碰撞，相互吸引，它們還會長得更大，就形成行星胚胎，個體估計像月球大小。
另外還有一件更有意思的事情，如果引力佔優，非常強。這時候行星胚胎和這個吸積盤就會發生相互作用，這裡可以看一下動畫。行星胚胎相當於一個石頭扔到一個水池裡。
大家可以看到石頭相當於中間最亮的那個點，石頭在橙色的水池裡會激起一團漣漪，這就是行星胚胎和這個盤相互作用產生的效果。
除了產生漣漪之外，行星還會朝向中央的恆星遷移。大家可以看這個圖，行星不光圍著恆星在旋轉，而且在旋轉的時候也在不停的旋進。
理論表明旋進的速度非常快，如果沒有什麼機制阻礙它的快速遷移，我們一般都看不到行星，它都會被周圍的恆星吞掉。
漩渦不穩定性
已完成：90%//////////
我們也做了一點小事情，就是採取辦法減慢它的遷移，這個叫做漩渦的不穩定性。
如果大家生活中有經驗，比如說一個盤裡的結構不是那麼光滑，比如一個水流裡面突然立起一塊石頭，石頭後面就會出現一些小漩渦。
吸積盤裡面也有類似的情況，也會導致漩渦出現，有可能極大的減慢行星往內旋進的速度，我們就有機會在這個盤裡看到存活下來的行星。
除了行星，這個石頭在水池裡激起漣漪，它還可以把周圍的氣體給吸過來。
最開始說八大行星的時候，有類木氣態巨行星和類地的固態行星。
行星在形成過程中，如果它有能力把這個氣體吸到周圍，吸足夠量的話，就有可能長成氣態的巨行星，像類木的行星；如果沒有足夠的能力吸足夠的氣體，或者說氣體在它吸的時候完全消散掉了，沒東西可吸，那它就會變成類似地球這樣的行星。
以上就是給大家粗略介紹了一下行星系統怎麼形成，怎麼觀測的問題。但實際上這裡面有很多未解的謎題，如果我的報告能夠吸引到更多年輕人關注的話，我這個報告的目的就達到了。
謝謝大家！
– END –