在宇宙中的所有恒星中,在宇宙中所有的恒星中,最接近太陽系的恒星是比鄰星:一顆距離地球僅4.2光年的紅矮星。這顆恒星比我們的太陽更小、更暗、更微弱。盡管觀察這顆恒星已有一個多世紀的時間,但還沒有觀測到任何凌日現象,即中間的行星周期性地阻擋母恒星的一部分光線。
但這并不意味著沒有行星繞著它運行;它只是意味著我們需要使用不同的技術來找到它們。2016年,科學家宣布發現比鄰b,這是一顆1.3個地球質量的行星,每11天圍繞比鄰星旋轉一次。在四年的數據之后,一個新的團隊宣布了第二顆行星,比鄰c,重約6個地球質量,大約需要5年才能完成一個軌道。這是第一個在我們附近發現的超級地球,可能成為第一個被直接成像的超級地球。
我們所知道的宇宙中的每一顆恒星都有一些性質,這些性質在時間上大致是恒定的。所有恒星的亮度都有變化,但變化很小;大多數恒星的平均亮度是均勻的。然而,當一顆行星或其他物體相對于我們的視線在恒星前面經過時,該行星會暫時阻擋恒星光的一小部分,導致恒星以規則、定期的方式以特定量變暗。
不幸的是,大多數行星并不象我們的觀點那樣偶然地對齊在一起,而比鄰星的行星也不例外。我們沒有觀察到來比鄰星的行星過境。但是,盡管這是我們在其他恒星周圍發現行星的最成功的方法,例如美國宇航局的開普勒和TESS任務,但還有另一種更為普遍的方法,有可能發現和表征系外行星,無論它們是否過境:恒星擺動法。
當每顆行星圍繞其母恒星運行時,恒星的引力將行星拉入橢圓軌道,施加引力,導致行星的運動隨時間而改變。但是對于每一個動作,都有一個相等和相反的反應,所以行星也會牽引恒星,導致它改變其運動響應。當行星圍繞它們的母星運行時,恒星的運動會發生擺動,而沿著我們視線的運動(即恒星的徑向速度)會因每個行星的質量和軌道周期而變化。
你不能直接觀察恒星的運動,但你可以通過觀察它隨時間變化的光譜線來推斷它。每顆恒星都包含光譜線,它們對應于恒星最外層中的元素:吸收線的頻率是元素被恒星的光激發的頻率,發射線是電子在原子中失去激發,導致自身光的發射。隨著恒星運動的變化,光譜線紅移和藍移可探測到的重要數量。
因為我們只能測量光譜線位移的大小,所以我們必須用它來推斷行星的質量和周期,而不知道軌道相對于視線是如何傾斜的。我們可以得到這一時期的良好數據,但我們只能推斷出這顆行星的最小質量(一個下限);我們無法確定它是否更大,相對于我們的視線是否傾斜得更嚴重。
2016年,比鄰星的光譜線數據,在那個點上延伸了十多年,已經足夠科學家提取一個小的系外行星信號,對應于一個1.3地球質量的行星,周期只有11天:比鄰b。比鄰c 最初于 2019 年 4 月初步宣布,但現在有足夠的證據在主要期刊上發表,在 5.8 地球質量下,比鄰c尺度更大,但軌道周期為 5.2 年。來自兩個獨立的ESO望遠鏡儀器——高精度徑向速度行星搜索器(HARPS)和紫外-可見分光光度計(UVES)——的數據現已合并,所有跡象都表明存在第二個超地球尺寸星球。
比鄰星本身是一個有趣的恒星,它與我們太陽不同。以太陽系的標準來看,它非常小、昏暗、微弱,只有:
它們都是小質量恒星的典型代表。比鄰星也顯示出非常大且頻繁的恒星耀斑,是三星系統中最小的成員,也包含比鄰b和c。超大或太遠的行星已經被被各種測量方法排除,也于我們對引力的理解不相吻合。
當比鄰b被發現時,它引發了一場猜測的風暴,認為它是一顆巖石表面恒星,且位于可宜居帶上,溫度類似于我們自己的行星地球。立刻,人們開始猜測表面上有液態水的存在,一種可能的類地大氣,甚至認為這個行星上有可能存在生命。
不幸的是,這些推測肯定過于樂觀。比鄰b距離比鄰星僅750萬公里的距離——僅為地球太陽距離的5%——任何一個稀薄的、類似地球的大氣層,早在比鄰星的耀斑附近就已經被剝離掉了。沒有大氣,就沒有液態水,潮汐力會把比鄰b的一個面鎖定在它的母星上。白天的一面總是烘烤,夜晚的一面卻永遠凍結,可見比鄰b是完全不適合居住的。
因為它不過境它的母星,但軌道如此接近它,我們在可預見的未來成像比鄰b的前景也非常黯淡。然而,如果這顆行星比它的母星更大和更遠,下一代望遠鏡——配備日冕儀甚至星罩——有可能阻擋來自比鄰星的光,并直接拍攝這顆系外行星本身的圖像。
到目前為止,我們只直接成像質量至少是地球數百倍的行星,這些行星的旋轉范圍遠遠超出了太陽系中的火星軌道:最大、最分離的行星。這是一個壯觀的成就,我們已經能夠直接成像行星,但要改善我們目前的限制將需要遠遠超過現有的今天的技術。
然而,這正是未來的天文臺,如詹姆斯韋伯太空望遠鏡和未來的30米級望遠鏡,如GMTO和ELT承諾提供的:觀察超級地球的能力,在太空中這些超級地球與它們的母星有足夠的距離。
如果比鄰c行星被證實是真實的,那么它的最大分離將在其最遠的距離比鄰星附近大約1弧秒(1/3600度),這在這些下一代觀測站的能力范圍內直接發現。這個星球的軌道屬性只需要1.5個天文單位(大約2億2000萬公里),遠離比鄰星,遠比任何以前被直接成像過的行星都要近得多。
它也有保證,它的最小質量是5.8個地球,其類似火星,距離比鄰星1.5個天文單位,是一個寒冷,浮腫的世界,類似于一個小型版本的海王星。雖然對這樣一個世界的通用術語是“超級地球”,但我們可以確信,它根本不會是一個類球行星,它周圍有一個巨大的氫和氦包層,這個包層占這個行星的大部分質量和體積。
假設直接成像比鄰c的努力最終成功,這顆外行星將立即成為在軌道上有史以來看到的最小的一顆行星,并最接近其恒星。這是第一次,我們可以看到一個外行星的圖像,它差不多跟地球一般大小,這是以前從未實現過的。雖然蓋亞任務的未來數據可以證實這顆行星并確定其質量,但這十年晚些時候上線的地面和天基觀測站,提供了實際拍攝這顆行星的潛力。
就在幾年前,沒有人知道離我們最近的恒星是否擁有行星,或者它們是否因為某種原因阻止我們觀察到它們。由于我們已經建立了更大更好的數據套件,由高級儀器和天文臺探測到在我們最近的恒星比鄰星附近,存在兩顆行星。
第一個是比鄰b,在大小和溫度上像地球一樣,但像水星一樣貧瘠,它不太可能在短期內泄露秘密。但是,在火星的距離和大約六倍于地球質量的比鄰 c,可能成為第一顆能直接成像且非常靠近恒星的小的行星。