探索系外行星的偵測方法
目前普遍認為太陽是從星雲中誕生，而包含地球在內的行星則同樣是利用星雲物質形成。望向天上的點點繁星，我們不禁想問宇宙中是否有其他的太陽系？那些太陽系中也有像地球一樣的行星嗎？為了解答這個問題，科學家利用各式各樣的方法觀察，希望在成千上萬的恆星身旁搜尋行星存在的訊號，這次就讓我們來認識科學家們尋找系外行星的方法。
宇宙中是否有其他的太陽系？來看天文學家怎麼找到第二顆地球。
觀察恆星的搖擺
牛頓的萬有引力理論告訴我們只要具有質量，世間萬物都具有引力，互相吸引著彼此，當然也包括了恆星與行星。雖然恆星的質量遠大於行星，但若行星質量如木星般龐大，仍有機會「撼動」恆星，讓恆星繞著兩者的共同質心旋轉而產生些許位移。也就是說，我們只要觀察恆星在運動的過程有沒有出現週期性的擺動，我們就可以知道這顆恆星的身邊有沒有行星，這種方法被稱為「天體測量法」。
恆星周圍如果有行星存在的話，兩星會繞著共同質心公轉，我們有機會藉由觀察恆星的擺動察覺行星的存在。
粗略計算太陽系質量最大的行星：木星的引力，大概會讓太陽以近80萬公里的軌道半徑旋轉，這樣的擺動幅度從地球看來雖然幅度比月球的視直徑小一點，但還不到看不出來的程度。不過若是將這個擺動幅度放到距離太陽最近的恆星，從我們眼中看起來擺動幅度立刻縮小到毫角秒等級，甚至已經超出全世界最大單一口徑可見光望遠鏡的解析力了，遑論還要看見距離我們更遙遠的恆星擺動。因此，要實際看見遙遠恆星因行星引力而擺動顯然不切實際。
於是，科學家找到的另一個偵測恆星擺動的方法就是「徑向速度法」。當恆星在觀察者的視線方向上發生位移（有徑向速度）時，恆星在遠離（接近）時的光譜會因都卜勒效應發生紅（藍）位移變化。由於木星質量等級的行星使恆星產生的擺動速度夠大，我從光譜可以很容易偵測到恆星的位移，進而推測行星是否可能存在。
1994年瑞士天文學家米歇爾‧麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃‧奎洛茲（Didier Queloz）利用法國上普羅旺斯天文台的光柵光譜儀ELODIE，選定了142顆G、K型恆星進行徑向速度測量。最後在飛馬座51號星確認了史上第一顆系外行星飛馬座51b的蹤跡，兩人也因此在2019年獲得諾貝爾物理獎。不過，當行星對恆星作用的引力越小，對恆星產生的徑向速度就越不明顯，造成徑向速度法發現的大多是距離母恆星又近、質量又大的「熱木星」。以飛馬座51b為例，它的推測最小質量大約只有木星的一半，但繞行母恆星的公轉週期卻只有4.23天左右，顯示它比水星還要靠近它的母恆星。
米歇爾和迪迪埃利用光譜儀偵測到飛馬座51號星的擺動。 圖片來源：Michel Mayor & Didier Queloz (1995)
觀察恆星的亮度
對於大眾心心念念希望找到第二顆地球的願望來說，過於靠近母恆星、如地獄般炙熱的熱木星顯然不可能存在我們所熟知的生命型態。因此，天文學家想到的另一個尋找系外行星的方法就是「凌日法」。當不發光的系外行星經過母恆星與地球觀測者之間時，系外行星遮擋恆星光線造成的亮度下降，就能讓觀測者得到行星可能存在的訊號。透過遮擋恆星光線的多寡還能推算系外行星的體積大小，以及是否具有大氣層與大氣層成分等資訊。不過造成恆星亮度下降的原因很多，發現疑似個案後還需要長期追蹤，甚至用徑向速度法復驗。再加上系外行星的軌道剛好越過恆星與地球之間的機率非常低，因此必須透過大量觀測才能提升發現系外行星的機會。
系外行星經過恆星前方造成亮度改變，我們有機會從中檢測出行星的存在
克卜勒望遠鏡便是利用凌日法尋找系外行星的一架太空望遠鏡。2009年3月7日升空的克卜勒望遠鏡擁有0.95公尺的口徑，具有較廣視野的偵測範圍，運行9年多來持續針對天鵝座附近天區進行觀測。雖然克卜勒望遠鏡已經因為調整望遠鏡姿態用的燃料耗盡，在2018年結束觀測任務，但他留下的龐大數據截至2023年中為止已讓科學家分析出近3000顆系外行星。
由於克卜勒望遠鏡的成果豐碩，美國太空總署在2018年發射了凌日系外行星巡天衛星（TESS）作為克卜勒望遠鏡的後繼任務。TESS同樣也是利用凌日法尋找系外行星，不過TESS的掃瞄範圍更大，花費大約兩年的時間就可以幾乎將全天空掃描一遍，從中找出含有系外行星的候選星，或許有一天真的可以找到第二個地球。
TESS將天空分成26個觀測區域，大約需要花費兩年的時間才能將全天空掃過一遍
最後一個利用偵測恆星亮度尋找系外行星的方法是重力微透鏡。愛因斯坦的廣義相對論認為空間會因物體的質量而彎曲，體現出來的現象就是我們所熟知的重力，而在空間中直線前進的光也會因空間彎曲改變行進方向。當系外行星在宇宙中移動過程，碰巧經過更遙遠的背景恆星和地球之間時，背景恆星的光就有機會因為系外行星質量彎曲、聚焦，觀察者就會看到背景恆星亮度短暫提升的現象。不過這類事件的發生機會更低，因此目前靠重力微透鏡發現的系外行星屈指可數。
物體質量會使光線路線彎曲，產生類似透鏡的效果。
