最近，加拿大蒙特利尔大学的天文学家通过直接影像法，在双鱼座方向发现了一颗新的系外行星GU Psc b。它与母星的距离约2000AU（1AU=1.5亿公里），是目前发现的距离母星最遥远的系外行星，公转一周需要8万个地球年。

看到这个消息，许多小伙伴都疑惑了：系外行星居然还可以用“直接影像法”观测到！

是的，听起来不可思议，不过“直接影像法”确实是寻找系外行星的一种方法。今天我们就来了解一些关于“直接影像法”的二三事。

系外行星的直接观测是非常困难的。小而黯淡的行星很容易被它们母星明亮的光线所掩盖。只有满足一些特殊的条件时，才能用望远镜直接观测到它们。

【最早的系外行星直接影像】

2004年7月，一个天文学家团队利用欧洲南方天文台（ESO）的甚大望远镜阵列（VLT）拍到了200光年外一个“行星质量天体”2M1207b。它非常靠近半人马座的褐矮星2M1207，质量大约是木星的3到10倍。进一步的观测证实它围绕着2M1207旋转，因此许多人把它看作人类首次直接拍摄到的系外行星。但另一些人则抱有怀疑的态度：他们认为这颗行星之所以能被拍到，是因为它的母星是一颗褐矮星，比真正的恒星黯淡很多。而行星应该是围绕恒星而不是褐矮星旋转，所以他们认为它称不上一颗行星。（没有母星的“流浪者行星”们哭了……）

 
VLT拍到的2M1207（蓝白色）与2M1207b（红色）。在地球的天空中，这两个天体的距离小于1角秒。图/ESO

2008年11月，一组天文学家宣布，他们用哈勃望远镜拍到了北落师门（即“南鱼座α星”）周围的一颗行星（北落师门b）。北落师门周边围绕着一圈厚厚的尘埃盘。尘埃盘的内边缘被科学家认为是行星“北落师门b”清理出来的轨道。根据这个，科学家能在哈勃望远镜拍摄的图片中定位出它的准确位置。这颗行星的质量不超过木星的2倍，但极其明亮。天文学家认为，它太小了，以至于根本不可能被拍下，我们拍到的，只是它周围一个比土星光环厚、也更炫目的光环系统。

哈勃望远镜拍摄的这幅可见光照片，显示了北落师门周围的情况，包括它的尘埃盘和的行星。恒星的光芒被日冕仪遮掩。

在北落师门b消息发布的同一天，另一组天文学家也宣布，他们拍到了3颗围绕恒星HR8799旋转的系外行星。与北落师门b不同，它们被拍到了实体的影像（红外）。HR8799是一颗年轻的恒星，因此它周围的行星仍处于炙热的状态，在红外波段非常显眼。不过，在可见光波段中，这些行星还是远远不足以被肉眼看到。

HR8799和三个行星

HR8799的三颗行星想象图。图/ Lynette Cook

【日冕仪：拨开光芒的迷雾】

为了遮掩母星强烈的光线，需要用到“日冕仪”。

日冕仪（Coronagraph）实际上是一种人造“日食”，由法国默东天文台的贝尔纳·费迪南·李奥在1930年发明，当时主要用来研究太阳的日冕和日珥的形态及光谱变化，现在越来越多地改进用来寻找系外行星。

用日冕仪把恒星的光遮住之后，只要有精良的仪器，那么观测到恒星周围的行星，就更容易了。

【涡状日冕仪：小口径望远镜也可观测到系外行星】

2010年，NASA主持的TPF计划（Terrestrial Planet Finder）中，帕萨迪纳喷气推进实验室的Gene Serabyn和他的同事开发了一种新的日冕仪——“涡状日冕仪”（vortex coronagraph），将日冕仪和自适应光学（用来去掉大气湍流造成的扰动）结合起来，可以让口径更小的望远镜直接拍摄到系外行星。该团队使用威尔逊山天文台海尔望远镜1.5米的一部分镜面拍摄到了前文所述的恒星HR 8799周围的三颗行星。

 
Gene Serabyn和同事用涡状日冕仪，利用小望远镜拍到的HR8799三星

这三颗被称为HR8799b、c和d的行星，就是前文所述的与“北落师门b”同一天发布的那三颗行星。它们被认为是类木的气体行星，但是质量更大。与母星的距离分别为24、38和68个AU。它们最早是被夏威夷岛上的两个较大的望远镜捕捉到：一个是凯克天文台的10米口径望远镜，另一个是北双子座天文台的8米口径望远镜。

Serabyn估算，即使在2m口径的望远镜上，涡状日冕仪也可以分辨30光年以外、1个天文单位之内的行星。

如果小望远镜也能发现系外行星，这就意味着，大望远镜将能发现以前更难发现的行星：那些离我们更远、距母星更近、体积更小、也更像地球的行星——目前发现的地外行星大部分都是体积很大、类似木星的气体行星。这也是我们寻找地外生命的主要目标。

【最先进的双子座系外行星成像仪（GPI）】

双子座行星成像仪（GPI），是位于智利的南双子座天文台8米口径望远镜的一个装置。它不仅可以解决母星光芒的干扰，筛选出系外行星微弱的光线，还可以分析系外行星的大气成分和温度。

GPI由一个用来移除大气扰动的自适应光学系统、一个挡住恒星星光的日冕仪、一个红外线探测仪和一个光谱仪组成。成像仪可以通过分析行星的光谱来确定它的成分以及表面温度，还可以拍摄偏振光照片。

GPI拍下了第一张行星的照片——Beta Pictoris b，围绕着恒星Beta Pictoris旋转。恒星被日冕仪遮挡。

还记得“太空小陀螺”Beta Pictoris b吗？GPI拍摄的第一个行星就是它。于2013年11月11日光棍节那天拍摄。GPI花了60秒来拍摄这张照片，而以前这个过程需要1个小时。

这颗发现于2008年的巨行星比木星大2/3，质量是地球的3000倍，位于63光年外，围绕一颗叫绘架座β（Beta Pictoris）的恒星旋转。最近，科学家测量出它的自转周期仅8小时，赤道时速10万公里，是地球的60倍。这也是人类第一次测出系外行星的自转速度。

通过GPI，科学家发现Beta Pictoris b公转一周需要花20.5年，距离母星的距离是地日距离的9倍，比土星的距离稍近一点。

 
GPI拍下年轻的恒星HR4796A周围的尘埃盘发出光线。这个狭窄的光环被认为是小行星或彗星留下的。一些科学家认为，光环狭长的形状是由一颗看不见的行星造成的。

GPI比以前的系统灵敏8倍。科学家准备用1年的时间来调整它。从2014年11月开始，计划花3到4年的时间来扫描600颗年轻的恒星，寻找更多的行星。

【“直接影像法”的魔力】

对人类来说，“看见”是有魔力的。能直接看见这些系外行星，仿佛我们也离他们更近了一些。

而对于科学家来说，这些被直接影像法“看见”的系外行星，提供了非常有价值的线索。比如，北落师门b与原行星盘的相互关系，以及它在红外波段不可见的特性，说明它的质量非常小。然而它却发出耀眼的光芒，据此科学家判断它周围有一个厚重的光环系统。在HR8799中，行星发出的红外辐射，结合行星起源的模型，科学家可以初步估计它的质量。

直接影像法适用于那些距离母星较远，且行星系统“面向”地球的行星。这是对“径向速度法”的补充，因为径向速度法适用于那些离母星较近、且轨道边缘面对地球的行星系统。

其他探测系外行星的方法还有凌日法、微引力透镜法等。微引力透镜法前段时间发现了第一颗疑似系外卫星。

不过每一种方法都有其局限性，比如，微引力透镜发生的几率非常小，而且基本上不可能再发生第二次，因此不可能进行持续的研究。

最后，期待GPI能给我们带来更多可以“看见”的系外行星，这是人类对生命起源的不懈追寻和探索未知的梦想。