說起系外行星獵手TESS（凌日系外行星巡天衛(wèi)星），大家最熟悉的畫面通常是這樣的：一顆行星從恒星前方經(jīng)過，恒星亮度出現(xiàn)規(guī)律性的輕微下降，天文學(xué)家借此確認(rèn)行星的存在。但最近TESS卻用一種完全不同的方式，意外立了一功，引力微透鏡。

01

—一顆“不該被TESS發(fā)現(xiàn)”的超級(jí)木星

這顆新發(fā)現(xiàn)的行星名叫Gaia23bra b，是一顆質(zhì)量約為木星1.6倍的“超級(jí)木星”，繞著一顆橙矮星運(yùn)轉(zhuǎn)，軌道距離與木星繞太陽的距離相當(dāng)。新墨西哥大學(xué)教授、論文合著者Diana Dragomir談到，TESS發(fā)射之初，沒有人預(yù)料到它有朝一日能發(fā)現(xiàn)這類行星。按照TESS原本設(shè)計(jì)的探測(cè)方式，想找到這樣一顆軌道遙遠(yuǎn)、公轉(zhuǎn)周期很長(zhǎng)的行星，難度極大。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，TESS已有的數(shù)據(jù)中，可能還“潛伏”著其他一直被忽略的微引力透鏡行星信號(hào)。

這幅概念圖描繪了蓋亞23bra b，這是NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星（TESS）發(fā)現(xiàn)的首顆通過微引力透鏡法探測(cè)到的、繞遙遠(yuǎn)恒星運(yùn)行的行星。這顆超級(jí)木星圍繞一顆橙矮星運(yùn)轉(zhuǎn)，其軌道距離與木星到太陽的距離相當(dāng)。

圖源：NASA/TESS

這顆行星的線索最早出現(xiàn)在2023年，來自歐空局已退役的蓋亞（Gaia）空間望遠(yuǎn)鏡。蓋亞的警報(bào)系統(tǒng)捕捉到一顆恒星突然變亮的現(xiàn)象，這正是引力微透鏡事件的典型特征：前方一顆恒星恰好從更遙遠(yuǎn)恒星的正前方經(jīng)過，借助引力彎曲、放大了背景恒星的光。

隨后，研究人員回溯了TESS的存檔數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)TESS當(dāng)時(shí)其實(shí)也“拍”到了同一次事件。論文第一作者、新墨西哥大學(xué)博士生Mallory Harris介紹，蓋亞的觀測(cè)點(diǎn)過于稀疏，不足以單獨(dú)識(shí)別出這顆行星；而TESS恰好在同一片天區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其更密集的觀測(cè)節(jié)奏記錄下了光變曲線中由行星引起的額外特征。

這項(xiàng)研究已于7月1日發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊通訊》（The Astrophysical Journal Letters）上。研究顯示，Gaia23bra b所環(huán)繞的橙矮星質(zhì)量約為太陽的80%，而整個(gè)系統(tǒng)距離地球接近4萬光年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了TESS通常約150光年的搜索半徑。

02

— 什么是引力微透鏡？

在目前已確認(rèn)的6000多顆系外行星中，約四分之三是通過“凌日法”發(fā)現(xiàn)的，這也是TESS最擅長(zhǎng)的招數(shù)：持續(xù)監(jiān)測(cè)大量恒星，尋找因行星周期性從恒星前方經(jīng)過而造成的輕微變暗。

截至2026年7月5日，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了6316顆系外行星。

圖源：NASA

微引力透鏡發(fā)現(xiàn)的系外行星數(shù)量不到已知總數(shù)的5%。這種現(xiàn)象發(fā)生在兩顆恒星從我們的視角看去幾乎完全對(duì)齊時(shí)：背景恒星發(fā)出的光，會(huì)因?yàn)榍熬昂阈琴|(zhì)量造成的時(shí)空彎曲而發(fā)生偏折。

如果對(duì)齊得足夠精確，前景恒星就像一面宇宙“放大鏡”，把背景恒星的光聚焦、放大。如果這顆前景恒星本身還帶著行星，這些行星也會(huì)對(duì)背景光造成微小的額外擾動(dòng)，天文學(xué)家看到的，就是恒星亮度曲線上一個(gè)短暫的尖峰。

凌日法最擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)的，是那些緊貼恒星、體積龐大的行星——個(gè)頭越大越容易擋住更多星光，軌道越近越容易頻繁“路過”恒星正前方。這類“炙熱巨行星”固然有趣，但天文學(xué)家同樣渴望找到更像太陽系成員的行星，而這正是微引力透鏡的專長(zhǎng)。Mallory Harris表示，借助微引力透鏡，可以找到質(zhì)量更小、軌道距離更遠(yuǎn)的行星，包括位于宜居帶乃至更遙遠(yuǎn)區(qū)域的行星。相比之下，微引力透鏡并不擅長(zhǎng)探測(cè)那些體積龐大又緊貼恒星的行星，因?yàn)檫@類行星產(chǎn)生的引力信號(hào)會(huì)彼此混疊在一起，難以區(qū)分。

Dragomir解釋道，凌日法和微引力透鏡法是互補(bǔ)關(guān)系，各自能發(fā)現(xiàn)對(duì)方難以探測(cè)到的一類行星，而且提供的信息也不同：凌日法能給出行星的大小，再結(jié)合其他方法可以推算質(zhì)量和密度；微引力透鏡則能給出那些原本根本無法被看到的行星的質(zhì)量與軌道距離。

03

—稍縱即逝的觀測(cè)機(jī)會(huì)

不過，微引力透鏡觀測(cè)有一個(gè)天然的局限——機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝。Mallory Harris打趣說，團(tuán)隊(duì)大概率會(huì)用微引力透鏡找到第一顆“地球分身”，然后眼睜睜看著它一閃而過，因?yàn)檫@類事件不會(huì)重復(fù)發(fā)生，再也見不到第二次。

這讓針對(duì)單顆微引力透鏡行星的深入觀測(cè)變得困難，但這種方法作為一種統(tǒng)計(jì)工具，卻能為行星族群的整體分布提供寶貴的宏觀信息。論文合著者、德克薩斯理工大學(xué)教授Michael Fausnaugh將這次發(fā)現(xiàn)比作NASA即將發(fā)射的南希·格雷斯·羅曼空間望遠(yuǎn)鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope）未來開展微引力透鏡巡天的一次“預(yù)告片”。羅曼望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃于2026年8月30日發(fā)射，其核心巡天項(xiàng)目之一將對(duì)準(zhǔn)銀河系中心區(qū)域，預(yù)計(jì)能發(fā)現(xiàn)約1000顆微引力透鏡行星以及約10萬顆凌日行星。

羅曼望遠(yuǎn)鏡之所以將目標(biāo)鎖定在銀河系中心，是因?yàn)槟抢锖阈菢O為密集，發(fā)生微引力透鏡事件的概率也更高。不過高密度也意味著許多恒星會(huì)在TESS較大的像素中彼此混疊；相比之下，TESS巡視的是幾乎整個(gè)天空，恒星分布相對(duì)稀疏。Dragomir指出，由于TESS觀測(cè)的是銀道面的其他區(qū)域，它天然就能在銀河系的不同部位發(fā)現(xiàn)微引力透鏡行星，這次首例微引力透鏡行星系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)正是證明，這也意味著TESS有能力幫助人類研究處于不同環(huán)境條件下的行星系統(tǒng)。

這或許會(huì)對(duì)尋找宜居世界產(chǎn)生影響。熱鬧擁擠的銀河系中心區(qū)域，超新星爆發(fā)更加頻繁，輻射水平也更高，可能對(duì)行星環(huán)境造成“滅菌”式的破壞；恒星間過于密集的引力交會(huì)，也可能擾亂行星系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而TESS觀測(cè)的銀河系區(qū)域，環(huán)境相對(duì)更溫和一些。

Fausnaugh總結(jié)道，羅曼望遠(yuǎn)鏡微引力透鏡巡天的核心優(yōu)勢(shì)，在于針對(duì)銀河系核球區(qū)域的密集時(shí)間覆蓋；而TESS則獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，能為銀河系其他區(qū)域的恒星提供這種高頻率觀測(cè)。兩者結(jié)合，為理解不同恒星環(huán)境下行星形成的多樣性打開了新的窗口，由于微引力透鏡專門擅長(zhǎng)發(fā)現(xiàn)類太陽系行星，這也為研究行星系統(tǒng)在銀河系不同區(qū)域如何變化提供了新的契機(jī)。

04

—論文里的“幕后細(xì)節(jié)”

翻看這篇發(fā)表在《天體物理學(xué)期刊通訊》上的論文，可以看到研究團(tuán)隊(duì)做了大量細(xì)致的建模工作。Gaia23bra事件最初被蓋亞的警報(bào)系統(tǒng)標(biāo)記為“單透鏡”事件，但TESS恰好在連續(xù)兩個(gè)觀測(cè)軌道（Sector 63和64）期間監(jiān)測(cè)到了同一片天區(qū)，其光變曲線上出現(xiàn)了兩次明顯的“焦散穿越”（caustic-crossing）特征，這正是雙透鏡系統(tǒng)（即“恒星加行星”組合）的標(biāo)志性信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)使用pyLIMA軟件對(duì)蓋亞和TESS的聯(lián)合測(cè)光數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并借助pyLIMASS工具推算恒星物理參數(shù)，最終認(rèn)為：透鏡恒星是一顆質(zhì)量約為太陽0.79倍的K型矮星，其伴隨的行星質(zhì)量約為木星的1.63倍，兩者的投影距離約為4.8天文單位，大致相當(dāng)于太陽系中木星與太陽的距離。

由于TESS像素尺度較粗（每像素對(duì)應(yīng)21角秒），且觀測(cè)窗口有限（每個(gè)軌道僅27天），團(tuán)隊(duì)特別指出，這類探測(cè)天然偏向于發(fā)現(xiàn)那些持續(xù)時(shí)間短、放大倍數(shù)高的事件。而這次的焦散穿越恰好完整地發(fā)生在同一個(gè)觀測(cè)軌道內(nèi)，才使得團(tuán)隊(duì)能夠據(jù)此建立雙透鏡模型。研究還討論了兩種可能的“簡(jiǎn)并解”，并通過詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)排除了其中一種由TESS系統(tǒng)性噪聲導(dǎo)致的偽解。

值得一提的是，由于缺乏直接的視差測(cè)量，透鏡恒星的質(zhì)量目前仍依賴模型推斷，尚不能完全獨(dú)立確定。不過團(tuán)隊(duì)計(jì)算顯示，未來5到10年內(nèi)，透鏡恒星和背景恒星在天空中的位置會(huì)逐漸分離開（10年后約30毫角秒），這一分離幅度已經(jīng)落在哈勃空間望遠(yuǎn)鏡等現(xiàn)有高分辨率設(shè)備的觀測(cè)能力范圍內(nèi)，為未來徹底解出這套雙星系統(tǒng)提供了可能。

論文還指出，這次探測(cè)地點(diǎn)位于銀河系盤面而非通常聚焦的銀河系核球區(qū)域，這一位置比較特殊，附近銀經(jīng)約280°的區(qū)域此前也被其他研究（如Mróz等人2020年的工作）發(fā)現(xiàn)存在微引力透鏡事件“扎堆”出現(xiàn)的現(xiàn)象，原因目前尚未有明確解釋，仍有待進(jìn)一步研究。

寫在最后，Gaia23bra b的發(fā)現(xiàn)，某種意義上是一次“意外之喜”：一顆原本不是為微引力透鏡設(shè)計(jì)的衛(wèi)星，借助另一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，補(bǔ)上了自己觀測(cè)節(jié)奏上的短板，合力揪出了一顆原本幾乎不可能被發(fā)現(xiàn)的遙遠(yuǎn)行星。隨著未來羅曼空間望遠(yuǎn)鏡的加入，以及薇拉·魯賓天文臺(tái)等新一代巡天設(shè)施的接力，天文學(xué)家們或許能拼湊出一幅更完整的銀河系行星分布圖景。

參考

[1]https://science.nasa.gov/missions/tess/nasas-tess-mission-finds-planetary-system-in-new-way/

[2]https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae7a50