在 16 世纪，一位相信在宇宙中寻找其他行星的人写道：“宇宙中有无数的太阳，无数的地球围绕着它们旋转，与我们自己的星系没有什么不同......这些世界不会生活在比我们的星球更糟糕的条件下“[1]。由于挑战罗马教廷的权威，这位异端思想的传播者于 1600 年在罗马的鲜花广场以布鲁诺的名义被烧死。
图 1.乔尔达诺·布鲁诺 （1548-1600），意大利多米尼加修道士、哲学家、数学家、诗人和占星家。来源： Meisterdrucke
从今天的角度来看，布鲁诺的想法无疑是非常正确和前瞻性的，因为直到 30 多年前，人类才真正具备了发现太阳系外行星的技术能力，而系外行星在银河系中无处不在的事实，更是系外行星领域的壮举——10 年前开普勒望远镜告诉我们的故事。开普勒望远镜使用了凌日法，这是迄今为止最流行的发现系外行星的方法：迄今为止确认的 5,787 颗系外行星中有 75% 是通过凌日探测到的 [2]。
这
凌日法的基本原理如图 2 所示，当一颗行星从地球的角度经过母星前方时，它会暂时阻挡部分恒星的光线，导致恒星的亮度极度微弱。这种亮度变化的大小是由行星半径与恒星半径的平方比决定的，通常很小以至于难以察觉。例如，在地球凌日的情况下，此时阳光的变化甚至比蚂蚁爬过汽车前灯引起的变暗小 7 倍。但是，天文学家可以通过精密的光学仪器（这种对恒星亮度的观察称为光曲线）持续监测恒星亮度的变化，并捕捉这种微弱的周期性光变化，从而推断出行星的存在。
图 2.过境法的基本原理。图片来源：NASA Ames
凌日不仅确认行星，还提供有关其轨道周期、大小甚至大气成分部分的信息。例如，行星阻挡恒星光线的次数越多，行星的半径就越大;另一方面，光周期揭示了行星的轨道周期。由于凌日方法可以探测到如此微弱的光信号并从中提取丰富的信息，因此它已成为系外行星探测最有效的方法之一。本文将带你梳理天文学家如何通过发现凌日光曲线中隐藏的信息来探索五彩斑斓的系外行星世界。
眼眶的潮汐衰减
轨道潮汐衰变是轨道上的天体逐渐靠得更近的过程，就像宇宙中缓慢的拉锯战一样。围绕恒星运行的行星受到引力不对称的影响，导致轨道上的能量逐渐耗尽。随着时间的推移，这种能量损失导致行星的轨道更靠近恒星。如图 3 所示，在数百万年的时间里，这种向内的螺旋运动可能以剧烈碰撞或较小物体的解体而告终。
图 3.WASP-12b 是已知的第一颗具有潮汐衰变的行星 [3] 的艺术想象，超热的木星正在经历一个“蒸发”过程——它的气体逐渐被恒星吸引和吞噬。预计在几百万年内，WASP-12b 将被完全撕裂并消失在母星中。来源：NASA/ESA/G. Bacon
天文学家使用精密的望远镜长期监测系外行星凌日，记录每次凌日的时间。如果观察到凌日间隔有规律地缩短，这可能表明行星的轨道不断靠近母星，这是潮汐衰变的迹象。轨道周期的这种逐渐变化通常非常小，只能通过多年甚至几十年的精确观测来探测 [4]。还将观测结果与模型进行比较，以确定潮汐力而不是其他因素（例如来自其他行星的引力干扰）是否是导致周期性变化的原因。通过准确测量轨道周期的变化，科学家可以估计潮汐衰减的时间尺度，并深入了解潮汐振荡的复杂机制。
旋转压平和潮汐变形
我们知道地球实际上是一个扁椭球体。当行星自转时，赤道地区的离心力最大，导致赤道物质被“甩开”得更远，导致赤道地区隆起，而两极相对收缩，行星变成扁球椭球体。行星的扁度与其自转速度呈正相关，而行星的自转速度与其形成历史和演化过程密切相关
这颗行星最初是由气体和尘埃在吸积盘中积累形成的，这种吸积物质带来了角动量，导致原行星开始旋转。根据角动量守恒定律，随着物质向中心聚集，旋转速度增加。就像滑冰者收紧手臂时旋转加速一样，行星的旋转也随着吸积的增加而加速。此外，在行星形成的早期阶段，行星胚胎与其他小天体之间的频繁碰撞也会影响自转的速度和方向。这些碰撞可以加快或减慢行星的自转，甚至改变自转轴的倾斜角度。研究行星的扁平化可以揭示这些行星早期形成和演化的细节。
与月球在地球上引起的潮汐现象类似，潮汐变形也是由行星偏离标准球形引起的。当行星离其母星非常近时，恒星强大的引力会在行星的近端和远端施加不同的拉力，从而将行星拉向恒星方向的椭球形。
随着行星与恒星之间的距离减小和行星半径的增加，潮汐变形的程度变得更加明显。特别是在气态木星中，由于它们的密度和粘度较低，它们比岩石类地行星更容易被拉伸和变形。通过分析这些行星的潮汐变形，天文学家可以推测行星的内部结构，例如它们是否有致密的核心或稀疏的外壳。当我们无法直接观察系外行星的内部时，这种分析尤为重要，为探索系外行星的形成、物质分布和长期演化提供了关键线索。
图 4.凌日曲线上行星的旋转变平（左）和潮汐变形（右）与标准球面相比的差异。这一特征主要发生在行星进入和离开恒星盘边缘的阶段。来源：PNAS
结论
今天，布鲁诺的雕像在鲜花广场竖立起来，以纪念为真理而死的先驱者。令人欣慰的是，人类对“世界”的探索从未停止。上个月 13 日，SpaceX 的“星际飞船”在第五次试飞中成功回收了第一级助推器，标志着低成本、大有效载荷太空飞行时代的到来。未来，发射大型太空望远镜可能不再是一个遥不可及的梦想。
天文技术的进步不仅让我们能够探测到更多的系外行星，还让我们有机会研究它们的大气成分，寻找潜在的宜居环境，甚至寻找生命的迹象。从发现凌日信号到破译行星大气中的水和甲烷等分子，我们正在逐渐将布鲁诺的猜想变成科学。在这场探索行星世界的壮丽旅程中，人类不断挑战认知的界限：我们不仅在探索宇宙中的第二个“地球”，也在重新定义我们在宇宙中的位置。也许，正如布鲁诺所相信的那样，“世界”之间的联系远比我们想象的要深，每一次观星探索都会让我们离真相更近一步。
图 5.在“星际飞船”的第五次试飞中，第一级火箭助推器被成功回收，大型太空望远镜似乎不再遥远。来源：SpaceX
引用
1. 布鲁诺，《论无限、宇宙和世界》，1584 年，第 1 章。
3
3.Yee S. W.， et al. 2019， ApJL，888， L5
4.Patra KC 等人，2020 年，AJ，159、150
5.Liu Q.， et al. 2024， arXiv 电子打印， arXiv：2406.11644
6.Correia A. C. M.， 2014， A&A， 570， L5
