射電探測(cè)：系外行星搜尋利器

射電波段是搜尋地外文明（SETI）計(jì)劃的主要探測(cè)手段，也是探索系外行星磁場(chǎng)的直接途徑。當(dāng)?shù)谝活w太陽(yáng)系之外的行星在射電脈沖星周?chē)话l(fā)現(xiàn)約30年后，射電天文開(kāi)始在M型恒星周?chē)綔y(cè)到行星的存在。目前在運(yùn)行和未來(lái)幾年即將投入使用的高靈敏度射電望遠(yuǎn)鏡，如我國(guó)貴州的天眼（FAST）和正在建設(shè)的平方公里陣列，都將幫助人們探測(cè)到更多不同于已發(fā)現(xiàn)類(lèi)型的系外行星，并對(duì)行星磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

　　與外星人“打call”

　　“給外星人打電話”并非只在科幻小說(shuō)中存在。

　　由于可以不會(huì)被地球大氣吸收，從10MHz到300GHz的電磁波是人類(lèi)探尋宇宙的主要射電窗口，也是進(jìn)行星際通訊的潛在手段。1974年11月16日，康奈爾大學(xué)教授、SETI計(jì)劃的創(chuàng)始人Frank Drake領(lǐng)銜的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，利用位于波多黎各的口徑300米的Arecibo射電望遠(yuǎn)鏡，向球狀星團(tuán)M13方向，以1000千瓦的功率在2.38GHz的頻率上發(fā)送了帶有人類(lèi)文明的信息。

　　除了用Arecibo望遠(yuǎn)鏡這個(gè)超大功率射電基站進(jìn)行呼出，人們還試圖從這個(gè)巨大接收天線的數(shù)據(jù)中扣除“雜音”，尋找地外文明發(fā)來(lái)的信息。從1999年5月開(kāi)始至今，很多天文愛(ài)好者通過(guò)SETI@home屏幕保護(hù)程序參與到海量射電望遠(yuǎn)鏡（接收）數(shù)據(jù)的分析中，試圖尋找來(lái)自地外文明的信號(hào)。盡管至今未果，我們向太空發(fā)出的信息也未收到回音，但好奇心仍然驅(qū)動(dòng)著人們?cè)谂c地外文明建立通訊的探索中不斷嘗試。目前最大的單天線射電望遠(yuǎn)鏡，口徑500米的天眼（FAST）也有望加入到地外文明信號(hào)的搜尋中[1]。

　　你可能會(huì)覺(jué)得，與外星文明通訊的難度無(wú)異于大海撈針，但利用天文觀測(cè)的射電窗口，人類(lèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了外星文明的潛在家園——太陽(yáng)系外行星，并開(kāi)始了對(duì)系外行星磁場(chǎng)的探索。

　　第一顆系外行星的發(fā)現(xiàn)

　　脈沖星是人們熟悉的宇宙燈塔，在射電波段我們可以探測(cè)到它因自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的極其規(guī)律的周期信號(hào)。而當(dāng)脈沖星周?chē)嬖诎樾腔蛐行菚r(shí)，脈沖星會(huì)圍繞系統(tǒng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，射電脈沖信號(hào)就會(huì)受到相應(yīng)的調(diào)制。

　　1991年，美國(guó)賓州州立大學(xué)的Alex Wolszczan 和美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的Dale Frail利用Arecibo射電望遠(yuǎn)鏡和美國(guó)的甚大陣射電望遠(yuǎn)鏡（VLA），對(duì)PSR1257+12進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)這顆脈沖星周?chē)嬖谥辽偃齻€(gè)行星質(zhì)量的天體[2]（見(jiàn)圖1）。這是人類(lèi)第一次探測(cè)到太陽(yáng)系外行星的存在。然而，系外行星的研究熱潮卻并未如期到來(lái)。 

圖1：PSR1257+12和它的三個(gè)行星（藝術(shù)圖）

（圖源： NASA/JPL-Caltech/R。 Hurt。）

　　脈沖星是恒星演化到晚期形成的致密中子星，其周?chē)嬖诘男行?，?jīng)歷了超新星爆炸的核燃燒洗禮，今天還時(shí)刻承受著脈沖星帶來(lái)的巨大高能粒子和電磁輻射。在這種大粒塵埃上，不太可能存在生命。因此從發(fā)現(xiàn)外星生命的意義上講，這類(lèi)行星并沒(méi)有成為人類(lèi)探索系外行星的熱門(mén)方向。

　　來(lái)自系外行星磁場(chǎng)的射電信號(hào)

　　真正激起人們巨大好奇心的，是在1995年日內(nèi)瓦大學(xué)的Michael Mayor和Didier Queloz利用測(cè)量恒星視向速度變化的方法，在類(lèi)太陽(yáng)恒星飛馬座51周?chē)l(fā)現(xiàn)了行星的存在。從那時(shí)開(kāi)始，人們利用各種方法，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了四千余顆系外行星[3]。這些行星是否有適宜生物居住的環(huán)境，成為了接下來(lái)人們關(guān)注的重點(diǎn)。

　　現(xiàn)有的觀測(cè)手段可以幫助我們了解行星距宿主恒星的距離，以及宿主恒星的溫度，進(jìn)而知道行星上是否有合適的溫度。在光學(xué)和紅外波段對(duì)特定行星的大氣進(jìn)行觀測(cè)，還可以幫助我們了解行星大氣層的厚度和成分。

圖2：地球磁場(chǎng)（圖源： NOAA）

　　除了適宜的溫度和大氣層，行星自身的磁場(chǎng)也是保護(hù)生物圈的重要屏障（見(jiàn)圖2）。如果地球失去了磁場(chǎng)的保護(hù)，太陽(yáng)風(fēng)和宇宙線中的高能粒子將會(huì)直接射向地球，使得人類(lèi)所承受的輻射基礎(chǔ)升高到宇航員在太空行走中不穿宇航服的水平。更重要的是，強(qiáng)烈的太陽(yáng)風(fēng)會(huì)對(duì)我們賴(lài)以生存的大氣層造成巨大破壞。

　　那么，系外行星是否存在磁場(chǎng)，強(qiáng)度又如何呢？

　　還是要回到電磁波這個(gè)媒介。我們所探知的系外行星的溫度一般在100-2500開(kāi)爾文之間，其熱輻射功率的峰值在紅外波段。然而，即便對(duì)于溫度更高的恒星，我們也探測(cè)到了波長(zhǎng)長(zhǎng)得多的射電輻射（注：具有一定溫度的物體，其內(nèi)部帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)所發(fā)出的電磁波為熱輻射。根據(jù)維恩位移定律，熱輻射能譜中輻射最強(qiáng)處的頻率與物體溫度成正比；溫度100-2500開(kāi)爾文的物體，輻射峰值波長(zhǎng)在2-50微米，屬紅外波段。回旋輻射、同步輻射等機(jī)制造成的電磁輻射為非熱輻射，能譜與熱輻射不同。我們看到的恒星和行星在射電波段的電磁輻射，主要是非熱輻射）。這些射電波段的非熱輻射，主要來(lái)自于帶電粒子在磁場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的回旋和同步輻射。因此射電天文的觀測(cè)，可以幫助我們直接得到星體的磁場(chǎng)信息，這在太陽(yáng)系內(nèi)行星的觀測(cè)中已經(jīng)是成熟的手段。

　　然而問(wèn)題來(lái)了：行星的宿主恒星往往有更強(qiáng)的磁場(chǎng)，更高的帶電粒子數(shù)密度，射電波段的輻射也就比行星更強(qiáng)。在望遠(yuǎn)鏡分辨率不足以區(qū)分開(kāi)系外行星和其宿主恒星的情況下，怎么知道射電信號(hào)來(lái)源于宿主恒星還是系外行星的磁場(chǎng)呢？先來(lái)看看我們看到了什么。

　　2011年，VLA在4.5GHz和7.5GHz波段探測(cè)到了一顆恒星V830 Tau的射電爆發(fā)。這本不是什么驚人發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槿藗円呀?jīng)在幾十到上百顆磁場(chǎng)活躍的恒星或雙星上發(fā)現(xiàn)了射電爆發(fā)現(xiàn)象。然而在2015年，在這顆恒星的周?chē)l(fā)現(xiàn)了行星的存在。于是，人們開(kāi)始考慮，之前探測(cè)到的射電爆發(fā)，是否跟行星有關(guān)[4]？

圖3：系外行星射電同步輻射爆發(fā)示意圖及光變曲線簡(jiǎn)圖[5]。上圖顯示恒星表面磁場(chǎng)（紅色圓圈為恒星，短劃線是磁場(chǎng)）發(fā)生磁重聯(lián)后，高能帶電粒子通過(guò)磁力線輸運(yùn)到行星磁場(chǎng)（綠色圓圈為行星，短劃線是磁場(chǎng)）。由于粒子從恒星輸運(yùn)到行星需要時(shí)間，在下圖爆發(fā)光變曲線中體現(xiàn)為流強(qiáng)增加和衰減時(shí)的二級(jí)階梯。下圖橫坐標(biāo)是爆發(fā)時(shí)間，縱坐標(biāo)是射電流強(qiáng)，紅色階段來(lái)源于恒星輻射，橙色階段來(lái)源于恒星+行星，綠色階段來(lái)源于行星輻射，單純恒星/行星輻射持續(xù)時(shí)間約為恒星與行星距離除以光速。相對(duì)流強(qiáng)與恒星/行星的磁場(chǎng)比值有關(guān)。

　　回答這個(gè)問(wèn)題需要了解射電輻射的具體來(lái)源。當(dāng)行星距離宿主恒星很近時(shí)，通過(guò)磁力線與恒星磁場(chǎng)聯(lián)通，產(chǎn)生回旋或同步輻射的帶電粒子可以沿著磁力線在恒星和行星間輸運(yùn)。射電同步輻射所需的高能帶電粒子常常來(lái)源于恒星磁層內(nèi)的磁重聯(lián)，這些帶電粒子以接近光速的速度傳播到近鄰行星上所需要的時(shí)間大約是幾十秒。因此，我們期待所看到的射電輻射爆發(fā)，在最開(kāi)始的流強(qiáng)升高之后幾十秒，有第二個(gè)流強(qiáng)升高出現(xiàn)（即圖3下紅線停頓一段時(shí)間之后變成橙線繼續(xù)升高）；在爆發(fā)結(jié)束階段也相應(yīng)有兩個(gè)流強(qiáng)階梯的現(xiàn)象（圖3下橙線變成綠線之后停頓一段時(shí)間之后的降低）。

　　另外，由于行星和恒星的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，伴隨著上述流強(qiáng)階梯，同步輻射的頻率也會(huì)有變化[5]。然而，利用目前的射電望遠(yuǎn)鏡，至少需要幾百秒的積分時(shí)間才能使探測(cè)靈敏度足夠高從而發(fā)現(xiàn)已知系外行星系統(tǒng)的射電爆發(fā)。也就是說(shuō)，流強(qiáng)階梯和頻率漂移這兩個(gè)行星存在的特征在目前的觀測(cè)中無(wú)法識(shí)別。

　　靈敏度不夠，怎么“湊”？

　　讓我們暫時(shí)拋棄100秒之內(nèi)的短時(shí)標(biāo)光變曲線和頻率漂移。宿主恒星的自轉(zhuǎn)和系外行星的公轉(zhuǎn)會(huì)使射電爆發(fā)產(chǎn)生小時(shí)到天量級(jí)的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)變化，這個(gè)時(shí)間尺度上的時(shí)域分析是目前實(shí)際可用的系外行星探測(cè)手段。一般來(lái)說(shuō)，恒星磁場(chǎng)并非理想的偶極磁場(chǎng)，而是在某些經(jīng)度上相對(duì)活躍。因此，當(dāng)磁場(chǎng)聯(lián)通的行星公轉(zhuǎn)到這個(gè)經(jīng)度上，且產(chǎn)生的射電輻射在地球上有最佳觀測(cè)角度時(shí)，我們就會(huì)看到系外行星系統(tǒng)的射電爆發(fā)在強(qiáng)度和發(fā)生頻率上同時(shí)升高。也就是說(shuō)，射電爆發(fā)受到系外行星公轉(zhuǎn)與宿主恒星自轉(zhuǎn)的拍（beat），以及宿主恒星公轉(zhuǎn)的共同調(diào)制。

圖4：系外行星與宿主恒星相互作用示意圖，以HD 189733為例。當(dāng)系外行星和活躍磁場(chǎng)線的夾角φbeat為零時(shí)，射電爆發(fā)最劇烈。若同時(shí)滿足活躍磁場(chǎng)線相位φact處于特定值，則這些射電爆發(fā)可以被地球上的觀測(cè)者看到[6]。

　　在過(guò)去二十幾年對(duì)木星的觀測(cè)中，已經(jīng)有充分的數(shù)據(jù)說(shuō)明了這個(gè)現(xiàn)象[7]：在木星的某些經(jīng)度朝向地球時(shí)，射電輻射會(huì)變得更強(qiáng)；在這些輻射較強(qiáng)的觀測(cè)者經(jīng)度（CML，central meridian longitude）上，當(dāng)位于木星磁層內(nèi)的兩顆衛(wèi)星Io和Ganymede處于特定軌道相位時(shí)，會(huì)產(chǎn)生額外的射電輻射爆發(fā)，這是由于木星和這兩顆衛(wèi)星的電磁場(chǎng)相互作用導(dǎo)致的（圖5）。參照木星的規(guī)律，現(xiàn)階段我們判斷射電爆發(fā)信號(hào)與系外行星是否有關(guān)的重要途徑是：尋找射電爆發(fā)與宿主恒星自轉(zhuǎn)和行星公轉(zhuǎn)周期的相關(guān)性。

圖5：木星（Jupiter）觀測(cè)者經(jīng)度（CML），活躍磁場(chǎng)線經(jīng)度Λa和衛(wèi)星經(jīng)度Λsat示意圖，綠色直線為木星中央子午線。Φa、Φsat分別為活躍磁場(chǎng)線相位和衛(wèi)星相位，δa為衛(wèi)星與活躍磁場(chǎng)線的夾角[8]。

圖6，木星射電輻射與觀測(cè)者經(jīng)度和近木衛(wèi)星Io/Ganymede公轉(zhuǎn)相位的關(guān)系[8]。橫軸為觀測(cè)者木星經(jīng)度，縱軸分別是兩顆衛(wèi)星的相位，顏色代表射電爆發(fā)發(fā)生率。左圖的A-D標(biāo)注的是由于Io-木星相互作用產(chǎn)生的增強(qiáng)輻射區(qū)域；右圖的A-D標(biāo)注的是扣除了Io-木星成分后的增強(qiáng)輻射區(qū)域，與Ganymede-木星相互作用有關(guān)。

　　系外行星搜尋利器

　　不難想到，這種射電輻射與行星軌道周期的相關(guān)性，除了可以判斷射電信號(hào)是否來(lái)源于已知系外行星與宿主恒星的相互作用，還可以用來(lái)搜尋未知的系外行星。科學(xué)家已經(jīng)在這條道路上走出了第一步。

　　歐洲的低頻陣列射電望遠(yuǎn)鏡（LOFAR）在120-167MHz的頻段發(fā)現(xiàn)了來(lái)自一顆色球?qū)雍芊€(wěn)定的M型恒星GJ1151的射電輻射。分析表明，不同于磁場(chǎng)活躍恒星的射電爆發(fā)，GJ1151的射電信號(hào)不太可能來(lái)源于恒星本身，而很可能來(lái)源于其周?chē)行桥c之相互作用產(chǎn)生的帶電粒子的回旋輻射，因此科學(xué)家推斷在這個(gè)恒星周?chē)嬖谥讨芷谛行荹9]。這顆行星的存在尚需要更長(zhǎng)時(shí)間的射電周期分析，或其他方法的進(jìn)一步確認(rèn)。即便如此，射電天文方法在發(fā)現(xiàn)第一顆系外行星近30年之后，終于開(kāi)始顯現(xiàn)出發(fā)現(xiàn)主序恒星周?chē)行堑哪芰Α６疑潆姺椒òl(fā)現(xiàn)的系外行星，將突破目前所發(fā)現(xiàn)的行星大部分是具有凌星現(xiàn)象（即與宿主恒星處在一條視線上而發(fā)生相互遮擋的現(xiàn)象）的選擇限制。

　　具有較高靈敏度的望遠(yuǎn)鏡可以在較短的積分時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)弱射電爆發(fā)，這是發(fā)現(xiàn)系外行星射電輻射的核心指標(biāo)?？v觀目前正在工作的射電望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST的靈敏度在1.4GHz頻段上處于國(guó)際領(lǐng)先水平。這個(gè)頻段上的恒星流強(qiáng)一般情況下主要來(lái)源于恒星和行星的同步輻射。因此FAST是測(cè)量甚至發(fā)現(xiàn)系外行星射電輻射的利器。同時(shí)我們意識(shí)到，在探索系外行星這類(lèi)弱點(diǎn)源時(shí)，需要擴(kuò)展FAST的有效直徑從而消除望遠(yuǎn)鏡主波束內(nèi)其他背景輻射的影響。如果在FAST周?chē)U(kuò)展陣，使其有效直徑擴(kuò)大10倍甚至更多，可以大大提高搜尋系外行星的效率。

　　在FAST上通過(guò)規(guī)律的恒星射電爆發(fā)監(jiān)測(cè)和時(shí)域分析來(lái)搜尋系外行星，并探索系外行星磁場(chǎng)，期待將產(chǎn)生重要發(fā)現(xiàn)，并為未來(lái)建成的靈敏度更高的射電望遠(yuǎn)鏡——平方公里陣列（SKA）的行星探測(cè)計(jì)劃提供重要的經(jīng)驗(yàn)。SKA是中國(guó)深入?yún)⑴c的下一代國(guó)際合作射電望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目，其巨大的靈敏度將可以幫助我們探測(cè)到系外行星造成的射電爆發(fā)光變曲線與頻率漂移（圖3），直接確認(rèn)行星存在，并測(cè)得行星軌道和磁場(chǎng)參數(shù)。我們期待在未來(lái)的幾年到幾十年，在射電波段發(fā)現(xiàn)更多的不同于目前已有類(lèi)型的系外行星，為系外行星的研究拓展更豐富的樣本，同時(shí)增加我們對(duì)系外行星磁場(chǎng)的了解。