射電探測(cè)——系外行星搜尋利器 | 賽先生天文
木星的射電輻射示意圖（圖源：www.britannica.com）
撰文 | 高揚(yáng)（中山大學(xué)）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng) 呂浩然
“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。
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。
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?；匦椛?、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。
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)。
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?？茖W(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?/span>[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。
參考文獻(xiàn)：
[1] Opportunities to Search for Extra-Terrestrial Intelligence with the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, Di Li et al. 2020, Research in Astronomy and Astrophysics, 20, 5
[2] A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 +12, Alex Wolszczan & Dale Frail 1992, Nature, 355, 145
[3] The Extrasolar Planets Encyclopaedia - http://www.exoplanet.eu/
[4] Variable Radio Emission from the Young Stellar Host of a Hot Jupiter, Geoffrey C. Bower et al. 2016, Astrophysical Journal, 830, 107
[5] Observational features of exoplanetary synchrotron radio bursts, Yang Gao et al. 2020, Astrophysical Journal, 895, 22
[6] Time-domain modulation of HD 189733 flares by its planet, Yang Gao, 2020, manuscript submitted to Monthly Notices of Royal Astronomical Society
[7] Jupiter radio emission induced by Ganymede and consequences for the radio detection of exoplanets, Philipe Zarka et al. 2018, Astronomy & Astrophysics, 618, A84
[8] Radio emission from satellite-Jupiter interactions (especially Ganymede), Philips Zarka, et al. 2017, in Planetary Radio Emissions VIII, Proceedings of the 8th International Workshop, Edited by G. Fischer, et al., Austrian Academy of Sciences Press, Vienna, p. 45-58
[9] Coherent radio emission from a quiescent red dwarf indicative of star-planet interaction, H. K. Vedantham et al. 2020, Nature Astronomy, tmp. 34
制版編輯 | Livan
