无线电探测:搜寻外行星的利器

木星射电辐射图(来源：)来源：赛先生

射电波段是SETI计划的主要探测方法，也是探索外行星磁场的直接途径。在射电脉冲星周围发现第一颗太阳系外行星大约30年后，射电天文学开始探测M型恒星周围行星的存在。目前正在运行并在未来几年投入使用的高灵敏度射电望远镜，如中国的贵州天眼(FAST)和正在建设的平方公里阵列，将帮助人们探测更多不同于已发现类型的系外行星，并测量行星磁场。

与外星人“打call”

“召唤外星人”不仅仅存在于科幻小说中。

由于电磁波不能被地球大气层吸收，10兆赫到300千兆赫的电磁波是人类探索宇宙的主要无线电窗口，也是星际通信的潜在手段。1974年11月16日，由康奈尔大学教授、SETI项目创始人弗兰克德雷克(Frank Drake)领导的一个科学家小组，在波多黎各使用直径300米的阿雷西博射电望远镜，以2.38千兆赫的频率向1000千瓦的球状星团M13发送有关人类文明的信息

除了使用阿雷西博望远镜，一个超高功率的无线电基站，人们还试图从这个巨大的接收天线的数据中扣除“噪音”来寻找来自外星文明的信息。自1999年5月以来，许多天文学家通过SETI@home屏幕保护程序参与了对大量射电望远镜数据的分析，试图寻找来自外星文明的信号。尽管到目前为止失败了，也没有对我们的太空信息做出任何回应，好奇心仍然驱使人们尝试与外星文明建立联系。目前，最大的单天线射电望远镜——直径500米的天眼(FAST)，也有望加入到寻找外星文明信号的行列中来。

你可能认为与外星文明交流就像大海捞针一样困难，但是利用天文观测的无线电窗口，人类已经发现了——颗外行星，这是外星文明的潜在家园，并且已经开始探索外行星的磁场。

第一颗系外行星的发现

脉冲星是宇宙中常见的灯塔。我们可以探测到它们在无线电波段旋转产生的非常规则的周期性信号。当脉冲星周围有伴星或行星时，脉冲星将围绕系统的质心运动，无线电脉冲信号将相应地被调制。

1991年，宾夕法尼亚州立大学的亚历克斯沃尔茨赞和国家无线电天文台的戴尔费里利用美国的阿雷西博射电望远镜和甚大阵列射电望远镜(VLA)观测到了PSR1257 12，并发现脉冲星周围至少有三个行星质量物体[2](见图1)。这是人类第一次发现太阳系外行星的存在。然而，太阳系外行星的研究热潮并没有如期到来。

图1: PSR 1257 12和它的三颗行星(艺术图表)

(来源：美国国家航空航天局/JPL-加州理工学院)赫特.)

脉冲星是恒星演化后期形成的致密中子星。它们周围的行星经历了超新星爆炸的核燃烧洗礼。今天，它们也不断暴露在巨大的高能粒子和脉冲星带来的电磁辐射中。如此大的尘埃颗粒不可能存在生命。因此，从发现外星生命的意义上来说，这样的行星并没有成为人类探索外行星的热门方向。

来自系外行星磁场的射电信号

真正引起人们极大好奇的是，1995年，日内瓦大学的迈克尔马约尔和迪迪埃奎洛兹利用测量恒星表观速度变化的方法，发现了类日恒星飞马座51周围行星的存在。从那以后，通过各种方法已经发现了4000多颗系外行星。这些行星是否有适宜居住的环境已经成为人们关注的焦点。

现有的观测方法可以帮助我们了解行星和宿主星之间的距离，以及宿主星的温度，进而知道行星上是否有合适的温度。用光学和红外波段观察特定行星的大气层也能帮助我们了解行星大气层的厚度和组成。

图2:地球磁场(来源：美国国家海洋与大气管理局)除了合适的温度和大气，地球自身的磁场也是保护生物圈的重要屏障(见图2)。如果地球失去磁场的保护，太阳风和宇宙射线中的高能粒子将直接发射到地球上，将人类承受的辐射基础提高到宇航员在太空行走时不穿宇航服的水平。更重要的是，强烈的太阳风将对我们赖以生存的大气造成巨大破坏。

那么，这颗系外行星有磁场吗？它的强度是多少？

还是要回到电磁波这个媒介。我们知道的系外行星的温度通常在100-2500开尔文之间，其热辐射功率的峰值在红外波段。然而，即使对于温度较高的恒星，我们也探测到了波长更长的无线电发射。根据维恩位移定律，热辐射光谱中最强辐射的频率与物体的温度成正比。温度为100-2500开尔文的物体的辐射峰值波长为2-50微米，属于红外波段。回旋辐射、同步辐射等机制引起的电磁辐射是非热辐射，能谱不同于热辐射。我们在无线电波段看到的来自恒星和行星的电磁辐射主要是非热辐射。这些无线电波段的非热辐射主要来自于磁场中带电粒子加速运动产生的回旋加速器和同步加速器辐射。因此，射电天文学观测可以帮助我们直接获得恒星的磁场信息，这在太阳系的行星观测中已经是一种成熟的方法。

然而，问题出现了：一颗行星的主星通常有更强的磁场和更高的带电粒子密度，因此无线电波段的辐射比行星的辐射更强。当望远镜的分辨率不足以区分外行星和主星时，你怎么知道无线电信号是来自主星还是外行星的磁场？首先，让我们看看我们看到了什么。

2011年，VLA探测到一颗恒星V830在4.5千兆赫和7.5千兆赫波段爆发。这并不是一个令人惊讶的发现，因为人们已经在数十到数百颗恒星或具有活跃磁场的双星上发现了射电爆发。然而，在2015年，在恒星周围发现了行星。因此，人们开始考虑先前探测到的射电爆发是否与行星有关？

图3:外行星射电同步辐射爆发和光变曲线示意图[5]。上图显示，在恒星表面磁场发生磁重联后(红色圆圈代表恒星，虚线代表磁场)，高能带电粒子通过磁力线被输送到行星磁场中(绿色圆圈代表行星，虚线代表磁场)。由于粒子从恒星传输到行星需要时间，所以下图中的爆发光曲线显示了电流强度增加和衰减时的第二步。下图的横坐标显示爆发时间，纵坐标显示强流，红色相位来自恒星辐射，橙色相位来自恒星行星，绿色相位来自行星辐射，纯恒星/行星辐射的持续时间大约是恒星和行星之间的距离除以光速。相对电流强度与恒星/行星的磁场比有关。为了回答这个问题，我们需要知道无线电发射的具体来源。当行星非常靠近主星时，产生回旋加速器或同步加速器辐射的带电粒子可以沿着磁力线在恒星和行星之间传输。射电同步辐射所需的高能带电粒子通常来自恒星磁层中的磁重联。这些带电粒子以接近光速的速度到达邻近行星所需的时间大约是几十秒。因此，我们期望看到无线电发射的爆发，电流强度的第二次增加发生在电流强度的最初增加之后几十秒(即，图3中的红线在暂停一段时间后将变成橙色线)；在爆发结束时，相应地有两个强流动步骤(图3:橙色线变为绿色线后暂停后的减少)。

此外，由于行星和恒星的磁场强度不同，同步辐射的频率也会随着上述电流强度的变化而变化[5]。然而，使用目前的射电望远镜，至少需要几百秒的积分时间才能使探测灵敏度高到足以发现已知系外行星系统的射电爆发。换句话说，这两个行星的存在特征，即电流强度阶跃和频率漂移，在目前的观测中无法确定。

灵敏度不够，怎么“凑”？

让我们暂时放弃100秒内的短时标光曲线和频率漂移。宿主恒星的旋转和系外行星的旋转将导致射电爆发产生从几小时到几天的长时间尺度。在这个时间尺度上的时域分析是目前探测外行星的一种实用方法。一般来说，恒星磁场不是理想的偶极磁场，而是在某个经度上相对活跃。因此，当被磁场连接的行星旋转到这个经度时，由此产生的无线电发射在地球上具有最佳的观察角度，我们将看到外行星系统的无线电爆发在强度和频率上同时上升。换句话说，射电爆发是由外行星公转的节拍、主星的自转以及主星的公转来调制的。

图4:以HD 189733为例，系外行星与宿主恒星相互作用示意图。当外行星与活动磁场线之间的角度差为零时，射电爆发最为强烈。如果它也满足有效磁场线相位act是在一个特定的值，这些无线电脉冲可以被地球上的观测者看到[6]。在过去20年对木星的观测中，已经有足够的数据来解释这一现象[7]:当木星的某个经度面向地球时，无线电发射将变得更强；在这些强辐射观测者的经度(CML，中央子午线经度)上，当位于木星磁层的两颗卫星Io和Ganymede处于特定的轨道相位时，由于木星和两颗卫星之间电磁场的相互作用，将产生额外的无线电发射爆发(图5)。根据木星的定律，在这个阶段判断射电爆发信号是否与系外行星有关的重要方法是找出射电爆发与宿主恒星自转和行星公转周期之间的相关性。

图5:木星观测者经度(CML)、活动磁场线经度 a和卫星经度sat示意图，绿色直线为木星中央子午线。

图6显示了木星的无线电发射与观测者的经度和近木卫星Io/Ganymede的轨道相位之间的关系[8]。横轴是木星的经度，纵轴是两颗卫星的相位，颜色代表无线电爆发率。左边的A-D表示由于木卫一和木星的相互作用而增强的辐射区域。右边的A-D显示了扣除木卫一-木星成分后的增强辐射面积，这与木卫三-木星相互作用有关。系外行星搜寻利器

不难想象，无线电发射和行星轨道周期之间的这种相关性不仅可以确定无线电信号是否源自已知系外行星和宿主恒星之间的相互作用，而且还可以用来搜索未知系外行星。科学家已经在这条道路上迈出了第一步。

欧洲的低频阵列射电望远镜(LOFAR)发现了120-167兆赫波段的GJ1151的无线电发射，这是一颗色球中非常稳定的M型星。分析表明，与具有活跃磁场的恒星的射电爆发不同，GJ1151的射电信号不太可能来自恒星本身，但可能来自它们周围的行星相互作用产生的带电粒子的回旋辐射。因此，科学家推断这颗恒星周围有短期行星[9]。这颗行星的存在仍然需要更长的无线电周期分析或其他方法的进一步证实。即便如此，在第一颗系外行星被发现近30年后，射电天文学终于开始显示出它发现主序列恒星周围行星的能力。此外，通过射电方法发现的系外行星将突破目前发现的大多数行星都具有凌星现象(即由于与主星在同一视线内而相互遮挡的现象)的选择限制。

高灵敏度的望远镜可以在短时间内发现微弱的射电爆发，这是发现外行星射电辐射的核心指标。从目前运行的射电望远镜来看，FAST的灵敏度在1.4千兆赫波段处于国际领先水平。总的来说，这个频段的恒星电流强度主要来自恒星和行星的同步辐射。因此，FAST是测量甚至发现外行星无线电发射的利器。同时，我们认识到，在探索太阳系外行星等弱点时，我们需要扩大FAST的有效直径，以消除望远镜主光束中其他背景辐射的影响。如果在FAST周围设置一个扩展阵列，将其有效直径扩大10倍或更多，搜索外行星的效率将会大大提高。

通过常规恒星射电爆发监测和FAST的时域分析，寻找外行星，探索外行星磁场。预计将会有重要的发现，并为未来——平方公里阵列(SKA)高灵敏度射电望远镜的行星探测计划提供重要的经验。SKA是中国深入参与的下一代国际合作射电望远镜项目。它的高灵敏度将有助于我们探测由系外行星引起的射电爆发的光曲线和频率漂移(图3)，直接确认行星的存在，并测量行星轨道和磁场参数。我们期望在未来几十年到几十年内在射电波段发现更多不同于现有类型的系外行星，为系外行星的研究扩大更多样本，并增加我们对系外行星磁场的了解。