系外行星與天體生物學

視向速度法

一顆行星看不見,它的恒星又比它亮上萬億倍,你怎麼找到它?你去盯著恒星的擺動。行星並非繞著一顆紋絲不動的恒星轉;兩者其實都繞著它們共同的平衡點打轉,就像鏈球運動員和鏈球,都繞著兩者之間的某個中心擺動。恒星重得多,所以只畫出一個極小的圈——但它確實在動,朝我們而來,又離我們而去,一次又一次。視向速度法,就是通過測量恒星沿我們視線方向這一來一回的小幅運動,來探測行星。

訣竅在都卜勒頻移:當恒星朝我們靠近時,它的光被略微壓向藍端;當它遠離時,光被略微拉向紅端,正如疾馳而過的警笛,音調先升後降。把恒星的光分解成光譜,盯著其中那些銳利的暗吸收線來回滑動,天文學家便能把恒星朝向和遠離我們的速度測到驚人的精度——優於步行速度,約每秒一米,而那恒星遠在數光年之外。擺動的幅度透露出行星的質量(嚴格說是最小質量,因為我們通常不知道軌道的傾角),擺動的節奏則透露出它的軌道週期。

正是這個方法,在 1995 年發現了第一顆繞類太陽恒星的行星——飛馬座 51b,它至今仍是主力,尤其擅長稱量行星、以及發現那些恰好不從恒星前面經過的世界。它的最大局限在於:除非傾角由別的方法測知,它給出的是最小質量而非真實質量——而且它偏愛大質量、近距離的行星,因為這類行星把恒星拽得最狠,至於又小又遠的世界,激起的擺動則微弱到幾乎測不出來。

木星讓太陽以每秒約十二米擺動;地球讓太陽擺動的速度卻只有每秒約零點零九米——比螞蟻爬還慢。用視向速度法探測一顆地球孿生星,意味著要把一顆恒星的速度測到比一隻昆蟲爬行還細,這正是為什麼這類世界仍處在該方法能力的邊緣。

這一方法,是從行星給恒星帶來的微小都卜勒擺動中,讀出它的重力拉扯。

除非已知軌道傾角,視向速度給出的是最小質量而非真實質量——而且它無法告訴你行星的大小,只能告訴你它拉得多用力。

又稱
Doppler wobble methodDoppler spectroscopyRV method多普勒摆动法径向速度法