科普中國-行星

行星（英語：planet），通常指自身不發(fā)光，一般是環(huán)繞恒星公轉(zhuǎn)，且能依靠自身引力清空軌道的球狀天體。特別地，存在圍繞恒星殘骸天體和褐矮星公轉(zhuǎn)的行星，也有彌散在星際空間的流浪行星。行星需要達(dá)到一定的質(zhì)量，才能通過自身引力成為球形，且清空軌道附近的小天體，而自身不能發(fā)生恒星的核聚變反應(yīng)。

按照以上嚴(yán)格的定義，太陽系內(nèi)存在八顆行星，軌道從內(nèi)到外分別是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星，目前科學(xué)界存在第九行星的猜想，該假想行星存在于太陽系外圍，可能是一個超級地球，其引力效應(yīng)可以解釋一組極端海王星外天體軌道的特殊聚集1。

太陽系外普遍存在行星，截至2024年9月，已經(jīng)認(rèn)證約5756顆系外行星，候選體約11000例2。目前研究認(rèn)為，銀河系中存在至少有與恒星數(shù)量級相同的行星數(shù)量，為千億顆量級3，因此已發(fā)現(xiàn)的系外行星僅是冰山一角。

根據(jù)質(zhì)量大小，行星從小到大可分為迷你地球、亞地球、類地行星、超級地球、類海王星、類木行星，一般認(rèn)為質(zhì)量上限為13倍木星質(zhì)量4，這也是褐矮星的常規(guī)質(zhì)量下限。

歷史由來

中文名

根據(jù)西漢《史記·歷書》記載：“黃帝考定星歷，建立五行，起消息（修正歷法，訂出正月起始）。”《尚書·舜典》中：“在璇璣玉衡以齊七政?！笨追f達(dá)疏：“七政，其政有七，于璣衡察之，必在天者，知七政謂日月與五星也。木曰歲星，火曰熒惑星，土曰鎮(zhèn)星，金曰太白星，水曰辰星?！币虼酥袊糯缬斜容^系統(tǒng)的行星觀測記錄，可目測的五大行星（對應(yīng)金木水火土）在天文歷法中發(fā)揮著重要的作用。

而英文行星一詞“planet”源于古希臘文“πλαν?ται（planētēs）”6，意為“漫游者”。1792年日本學(xué)者本木良永在翻譯哥白尼的日心說時將“行星”譯作“惑星”，取其位置游移不定讓人迷惑之意。明治時代亦有京都大學(xué)的學(xué)者使用“游星”一詞來指“行星”。1859年偉烈亞力與李善蘭合作翻譯的《談天》是中文文獻(xiàn)中第一次介紹哥白尼的地動說，也是中文“行星”一詞第一次出現(xiàn)。

從古典時代的神圣的游星演化到科學(xué)時代的實在的實體，人們對行星的認(rèn)識是隨著歷史在不停地進(jìn)化的，行星的概念已經(jīng)不僅延伸到太陽系，而且還到達(dá)了其他太陽系外系統(tǒng)。曾經(jīng)對行星定義的內(nèi)在的模糊性已經(jīng)導(dǎo)致了不少科學(xué)爭論。

觀測歷史

古人觀察星空，發(fā)現(xiàn)天體分作兩類：一類固定在天球上，組成各個星座，形成一幅永恒的天空背景，稱之為恒星；另一類天體在黃道附近運行，不斷穿過黃道上的十二個星座，稱之為行星。古典概念的行星包括七顆，分別是陰陽五行——太陽、太陰(月球)，以及金星、木星、水星、火星和土星。

古典概念的“七顆行星”在天空中極為特殊：它們不斷地在星座中運行穿過，且極為明亮，“七顆行星”在天球上的亮度排行分別是第1,2,3,4,5,6,9。因此“七顆行星”對神學(xué)、宗教宇宙學(xué)和古代天文學(xué)都有重要的影響。在古代希臘、中國、巴比倫和實際上所有前現(xiàn)代文明中，人們幾乎普遍的相信地球是宇宙的中心，并且所有的“行星”都圍繞著地球旋轉(zhuǎn)，造成這種認(rèn)識的原因是，人們每天都看到星星圍繞著地球旋轉(zhuǎn)7，且常識地認(rèn)為地球是堅實且穩(wěn)定的，因此它理應(yīng)靜止于中心?，F(xiàn)代觀點下則認(rèn)為以上“常識”是錯誤的，地球只是不斷運動的普通行星之一。

各個文明對星座的劃分方法與行星軌跡密切相關(guān)：太陽在黃道上一年運行一圈，太陰（月球）在黃道上一個月運行一圈。西方文明中，太陽的軌跡把黃道分作十二段，每月一段，每段一個星座組成黃道十二宮；中國文明中，太陽的軌跡把黃道分作四段，每個季度一段，即天空四象“青龍、白虎、朱雀、玄武”，而太陰（月球）的軌跡把黃道分作28段，每天一段，對應(yīng)天空的28個星宿，隨后結(jié)合太陽太陰的劃分，四象含二十八宿，每一象被分作七宿，這七宿最終分別對應(yīng)于陰陽金木水火土“七大行星”。

行星概念的清晰化始于日心說的提出，日心說確立了太陽在天空中心的地位，太陽不動而地球在運行，因此地球就取代了太陽的地位成為行星，太陽則被歸入恒星。衛(wèi)星的概念也隨著進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡時代，在伽利略衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)后被逐漸接受，很快行星被限定于直接圍繞太陽運行的天體，因此月球被排除在行星行列之外。最終古典的“七大行星”演變?yōu)榈厍?、水星、金星、火星、木星和土星六大行星?img src="https://pqnoss.kepuchina.cn/url/2025/02/26/20250226191658_a6a791.jpg" alt="" title="1741年手繪觀測計算得到的行星軌道示意圖" />

1781年，第七顆行星天王星被發(fā)現(xiàn)。

1801年，谷神星被發(fā)現(xiàn)，有長達(dá)49年的時間被稱為“第8顆行星”；1850年谷神星因尺寸太小，且發(fā)現(xiàn)一系列更小的同類型星體（即小行星），其行星地位被免除，同時行星定義出現(xiàn)一條不成文的概念：并非所有直接繞太陽公轉(zhuǎn)的天體都是行星，行星必須足夠大且卓爾不群。

1846年，第八顆行星海王星被發(fā)現(xiàn)；

1930年，冥王星被發(fā)現(xiàn)，有長達(dá)76年的時間被稱為“第9顆行星”；2006年冥王星被降格為矮行星，也因尺寸太小，且發(fā)現(xiàn)一系列更小的同類型星體，行星被重新定義成：繞恒星公轉(zhuǎn)、流體靜力平衡（自身引力球形）且能清空其軌道的天體。

系外行星的第一個可能證據(jù)是在1917年被發(fā)現(xiàn)的，但當(dāng)時沒有得到認(rèn)可。1992年才首次確認(rèn)了系外行星的發(fā)現(xiàn)。另一顆在1988年首次發(fā)現(xiàn)的系外行星，于2003年得到證實8。迄今為止已經(jīng)通過Kepler、TESS等巡天項目認(rèn)證了共計5736顆系外行星以及約11000顆候選體。

定義及分類

根據(jù)國際天文學(xué)聯(lián)合會（IAU）在2006年提出的行星定義，一個天體要被認(rèn)定為行星，必須滿足以下三個條件9：

圍繞恒星運行：行星必須是圍繞恒星運行的天體，這將其與其他不圍繞恒星運行的天體區(qū)分開來；

流體靜力平衡：擁有足夠的質(zhì)量，通過自引力形成近似球形的形狀，這一標(biāo)準(zhǔn)將行星與小行星等不規(guī)則形狀的天體區(qū)分開；

清空自身軌道周圍區(qū)域，保證軌道內(nèi)不存在其他行星：根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，行星必須有足夠的引力來清除或吸引其軌道區(qū)域內(nèi)的大多數(shù)其他天體，例如小行星或彗星。而冥王星由于其軌道附近存在大量柯伊伯帶小天體，未能符合這一標(biāo)準(zhǔn)，因此被重新歸類為“矮行星”10。

以上標(biāo)準(zhǔn)更傾向于行星質(zhì)量下限的劃分，針對系外行星，IAU還提出了質(zhì)量上限的定義：行星質(zhì)量低于氘核聚變的臨界值，約為13倍木星質(zhì)量或4100倍地球質(zhì)量。超過這一質(zhì)量的天體將能夠通過核聚變反應(yīng)點燃氘，進(jìn)而被認(rèn)為是褐矮星11。此外，IAU對于一些漂浮在星際空間、不繞任何恒星運行的孤立天體，通常將其分類為“流浪行星”。這些天體由于未繞恒星運行，不符合傳統(tǒng)的行星定義，但它們在宇宙中仍廣泛存在。

通過這些定義的細(xì)化，天文學(xué)家得以在太陽系內(nèi)外識別并分類各種行星及類似天體。不過，關(guān)于行星定義的爭議仍未完全消除，特別是圍繞如何處理像冥王星這樣位于邊緣區(qū)域的天體，天文學(xué)界仍在不斷討論中。

結(jié)合行星的質(zhì)地和溫度，大致可分為熔巖行星（Lava Planets）、巖質(zhì)行星（Rockey Planets）、熱氣態(tài)巨星（Hot Gas Giant）、氣態(tài)巨行星（Gas Giant）。按照質(zhì)量劃分，則可以分為迷你地球（Mini Terran）、亞地球（Sub-Terran）、類地行星（Terran）、超級地球（SuperTerran）、類海王星（Neptunian）、類木星（Jovian），有時也有超級木星（Super Jovian）的劃分。

但I(xiàn)AU的行星定義并未被普遍采用或接受。在行星地質(zhì)學(xué)中，天體是根據(jù)地質(zhì)特征定義為行星的。當(dāng)一個天體的質(zhì)量足夠大，使其地幔在自身重力作用下變得具有可塑性時，該天體就會獲得動態(tài)（行星的）地質(zhì)狀態(tài)。這將導(dǎo)致一個處于靜水平衡的狀態(tài)，天體獲得一個穩(wěn)定的圓形外觀，這被地質(zhì)定義認(rèn)為是行星的標(biāo)志12，例如：一個亞恒星質(zhì)量的天體從未發(fā)生過核聚變，并且由于流體靜力平衡，它因自身引力足夠大而其呈現(xiàn)球形，無論其軌道參數(shù)如何。13

在太陽系中，以上定義的質(zhì)量下限通常低于清空軌道所需的質(zhì)量，因此一些被地質(zhì)學(xué)認(rèn)為是“行星”的天體，在IAU定義下并不被視為行星，例如谷神星和冥王星。這種定義的支持者通常認(rèn)為行星的軌道性質(zhì)不應(yīng)成為判斷標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該由天體的固有特性來決定。14

形成假說

行星的形成方式尚未完全確定。主流理論為星云假說，其認(rèn)為行星誕生于星云坍縮，在一個由氣體塵埃組成的薄盤中吸積形成。原恒星位于吸積盤中央，周圍環(huán)繞著多個原行星盤，盤中的星子（即行星的前身核心）通過吸積逐漸積累質(zhì)量，當(dāng)行星盤的大小達(dá)到臨界質(zhì)量或密度，將會因自身重力而塌縮，隨后密度將變得更高，原本在云氣中隨機運動的分子，也因而呈現(xiàn)出星云平均的凈角動量運動方向，角動量守恒導(dǎo)致星云縮小的同時，自轉(zhuǎn)速度亦增加。15在自轉(zhuǎn)過程中，匯聚形成的新天體會吸引其軌道附近的其他分子云和塵埃，從而變得越來越大，直到其軌道附近再無物質(zhì)可以供其成長，從而造成行星定義中的“清空其軌道附近區(qū)域”。

當(dāng)原行星的質(zhì)量略大于火星質(zhì)量時，它開始積累一個擴(kuò)展的大氣層16，從而通過大氣阻力增加吸積效率17，最終根據(jù)固態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)的吸積情況以及行星的軌道位置，形成氣態(tài)巨行星或類地行星。1819

當(dāng)原恒星點燃核聚變進(jìn)入主序星階段時，剩余的盤物質(zhì)會通過光蒸發(fā)、太陽風(fēng)、彭寧-羅伯遜效應(yīng)等作用，從內(nèi)向外逐漸被清除。20此后可能仍有許多原行星繞恒星或彼此軌道運行，但隨著時間推移，許多原行星將發(fā)生碰撞和合并，或形成更大的原行星，或裂解并物質(zhì)到星際空間21。質(zhì)量較小且避免碰撞的原行星，可能被大行星引力捕獲成為天然衛(wèi)星，或者留在其他區(qū)域成為矮行星或小天體。22

小行星的高速撞擊以及行星自身的放射性衰變，會產(chǎn)生大量熱量以加熱行星，導(dǎo)致它處于熔融狀態(tài)，于是行星內(nèi)部開始按密度分化，密度較高的物質(zhì)會下沉到核心。23而由于氣體逃逸，較小的行星會逐漸失去大部分大氣層，但丟失的氣體也可以通過地幔的氣體釋放作用以及彗星的后續(xù)撞擊得到補充。24隨著系外行星的發(fā)現(xiàn)和觀察，越來越有可能對星云假說理論進(jìn)行補充、修訂甚至替代，恒星金屬豐度似乎決定了恒星擁有行星的可能性。25因此，富金屬的第一星族恒星比貧金屬的第二星族恒星，更有可能擁有一個龐大的行星系統(tǒng)。26

天體性質(zhì)

軌道

在太陽系中，所有行星繞太陽的公轉(zhuǎn)方向與太陽自轉(zhuǎn)的方向一致：從太陽北極上方看為逆時針方向。然而至少有一顆系外行星，WASP-17b，被發(fā)現(xiàn)其公轉(zhuǎn)方向與恒星自轉(zhuǎn)方向相反。27行星公轉(zhuǎn)一周的周期稱為其恒星年或年，而年周期取決于行星與恒星的距離；行星離恒星越遠(yuǎn)，它必須行進(jìn)的距離越長，速度也越慢，因為此時恒星的引力對其影響較小。

沒有任何行星的軌道是完美的圓形，因此它們與主恒星之間的距離在一年中會有所變化。距離恒星最近的點稱為近日點，在太陽系中稱為近日點，而距離恒星最遠(yuǎn)的點稱為遠(yuǎn)日點（在太陽系中稱為遠(yuǎn)日點）。當(dāng)行星接近近日點時，其速度會加快，因為它將引力勢能轉(zhuǎn)化為動能，就像地球上物體下落時加速一樣；當(dāng)行星接近遠(yuǎn)日點時，其速度減慢，就像拋向空中的物體在到達(dá)最高點時逐漸減速一樣。28

每個行星的軌道由一組軌道要素來描述：

軌道偏心率 描述了行星橢圓軌道的拉長程度，偏心率低的行星軌道更接近圓形，而偏心率高的行星軌道則更橢圓化。太陽系中的行星和大型衛(wèi)星的偏心率相對較低，因此軌道幾乎是圓形的。29彗星、許多柯伊伯帶天體以及一些系外行星的偏心率都非常高，因此它們的軌道極為橢圓。30

半長軸 給出軌道的大小，它是從橢圓軌道的中點到其最長直徑的距離。這個距離并不等于遠(yuǎn)日點，因為沒有行星的軌道恒星恰好位于中心。

軌道傾角 描述了行星軌道相對于參考平面（在太陽系中為地球軌道平面，即黃道面）的傾斜角度，而對于系外行星，參考平面被稱為天平面，是垂直于觀測者從地球視線的平面。31太陽系八大行星的軌道都非常接近黃道平面；然而一些較小的天體，如智神星和冥王星等，其軌道與黃道面的夾角非常大，彗星的軌道也經(jīng)常如此。32大型衛(wèi)星的軌道傾角通常與其寄主行星的赤道相差不大，但海衛(wèi)一在大型衛(wèi)星中獨具一格，它的軌道是逆行的，即其公轉(zhuǎn)方向與母行星的自轉(zhuǎn)方向相反。33

自轉(zhuǎn)軸

地球的自轉(zhuǎn)軸傾角約為23.4°，它在41000年的周期內(nèi)在22.1~24.5°之間擺動，幅度正在逐漸減小。

行星的自轉(zhuǎn)軸傾角各不相同；它們以一定角度相對于恒星赤道平面旋轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致每個半球的輻照通量有所變化，從而造成季節(jié)現(xiàn)象。當(dāng)每個半球最遠(yuǎn)離或最接近恒星時，被稱為至日，因此在每顆行星的軌道中各有兩個至日：當(dāng)一個半球經(jīng)歷夏至?xí)r，白晝最長；另一半球則經(jīng)歷冬至，白晝最短。例如木星的自轉(zhuǎn)軸傾角非常小，因此其季節(jié)變化也極??；而天王星的自轉(zhuǎn)軸傾角極其傾斜，幾乎是橫躺的，這意味著在其至日時，兩個半球要么持續(xù)處于白晝，要么持續(xù)處于黑夜。34

對于系外行星，由于觀測技術(shù)限制，其自轉(zhuǎn)軸傾角大都尚不確定，不過大多數(shù)熱木星被認(rèn)為由于靠近恒星，其自轉(zhuǎn)軸傾角可以忽略不計。35

行星的自轉(zhuǎn)周期被稱為恒星日。太陽系中的大多數(shù)行星的自轉(zhuǎn)方向與它們繞太陽公轉(zhuǎn)的方向一致，即從太陽北極上方看為逆時針方向。但也有例外，金星36和天王星37的自轉(zhuǎn)方向為順時針，不過由于天王星自轉(zhuǎn)軸傾角幾乎“躺平”，關(guān)于其哪個極點為“北極”存在不同的定義，因此關(guān)于它是順時針還是逆時針自轉(zhuǎn)也有不同的說法。38但無論使用哪種定義，天王星的自轉(zhuǎn)相對于其軌道都是逆行自轉(zhuǎn)。

行星的自轉(zhuǎn)在形成過程中可由多個因素引發(fā)，來自吸積形成過程的角動量貢獻(xiàn)決定了初始狀態(tài)，而氣態(tài)巨行星通過吸積氣體也會增加角動量。最后在行星形成的最后階段，原行星的隨機吸積過程也會隨機改變行星的自轉(zhuǎn)軸。39

不同行星的自轉(zhuǎn)周期差異很大，金星自轉(zhuǎn)一周需要243天，而氣態(tài)巨行星的自轉(zhuǎn)周期僅為幾個小時。40由于觀測技術(shù)的限制，系外行星的自轉(zhuǎn)周期大都也尚不清楚，但對于熱木星而言，由于它們靠近恒星，因此它們呈現(xiàn)潮汐鎖定狀態(tài)，這意味著它們始終以一面朝向恒星，一側(cè)永遠(yuǎn)處于白晝，而另一側(cè)則永遠(yuǎn)處于黑夜。41此外，系外行星寶瓶座τb與其寄主恒星也呈現(xiàn)潮汐鎖定狀態(tài)。42

質(zhì)量范圍

行星的定義物理特征是其質(zhì)量足夠大，通過自身引力進(jìn)入流體靜力平衡狀態(tài)，呈現(xiàn)球形或橢球形。在達(dá)到一定質(zhì)量之前，物體可能具有不規(guī)則形狀，但一旦超過這個臨界點（這個臨界點因物體的化學(xué)成分而異），引力就會將物體向其質(zhì)心拉攏，直到該物體塌陷成一個球體。43

質(zhì)量是將行星與恒星區(qū)分開的主要屬性之一，在太陽系中，沒有介于太陽和木星質(zhì)量之間的天體，但有些系外行星達(dá)到了這個范圍。恒星質(zhì)量的下限估計為75~80倍木星質(zhì)量，因此有些學(xué)者主張將這個值作為行星質(zhì)量的上限，理由是從土星質(zhì)量（開始出現(xiàn)顯著的自壓縮）開始，到點燃?xì)浜司圩兊呐R街質(zhì)量之前，天體內(nèi)部的物理狀態(tài)并沒有發(fā)生顯著變化。44但對于超過13倍木星質(zhì)量（約4100倍地球質(zhì)量）的天體，它們的質(zhì)量條件適合點燃氘核聚變，因此后來被認(rèn)為是行星和褐矮星的分界線45，盡管其氘燃燒時間非常短，且大多數(shù)褐矮星早已完成了其氘燃燒。46

但以上界定仍存在爭議，例如系外行星探測器則將質(zhì)量上限設(shè)定為24倍木星質(zhì)量。47

已知質(zhì)量最小的系外行星是PSR B1257+12A，它是1992年在圍繞脈沖星的軌道上發(fā)現(xiàn)的第一批系外行星之一。其質(zhì)量約為水星質(zhì)量的一半48，約為0.02倍地球質(zhì)量。已知繞主序星運行的最小行星是開普勒37b，其質(zhì)量和半徑可能稍大于月球49，因此認(rèn)為行星的質(zhì)量下限大約在0.01倍地球質(zhì)量附近。

系內(nèi)行星

太陽系共有八大行星，按軌道半長軸由近到遠(yuǎn)分別是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星。其中木星是最大的行星，質(zhì)量為地球的318倍；而水星是最小的行星，質(zhì)量為地球的0.055倍。50

根據(jù)組成成分，太陽系的行星可以分為類地行星、氣態(tài)巨行星。類地行星與地球相似，主要由巖石和金屬組成，其中有水星、金星、地球和火星，而地球是太陽系中最大的類地行星。51氣態(tài)巨行星的質(zhì)量遠(yuǎn)大于類地行星，包含木星、土星、天王星和海王星，它們主要由濃密的氫氦大氣和低沸點物質(zhì)（如甲烷和氨等）組成。土星質(zhì)量約為地球的95倍，天王星和海王星的質(zhì)量分別為地球的14倍和17倍，顯著低于經(jīng)典的氣態(tài)巨行星質(zhì)量，因此也有“冰巨行星”或“類海王星”的分類。52（注：在體積上天王星比海王星更大，但質(zhì)量上則相反）

矮行星雖然由于自引力呈現(xiàn)為球形，但它們的軌道周圍并未被清空，IAU認(rèn)證的矮行星包括：谷神星、冥王星、妊神星、創(chuàng)神星、鳥神星、鬩神星等。53谷神星位于火星和木星軌道間的小行星帶，是其中最大的天體。而其他矮行星則位于柯伊伯帶以及更遠(yuǎn)的散布盤中，不同于柯伊伯帶的是，散布盤與海王星的相互作用使其不穩(wěn)定。矮行星與類地行星相似，擁有固體表面，但它們由冰和巖石組成，而非金屬和巖石。矮行星都比水星小，其中冥王星是已知體積最大的矮行星，鬩神星則是已知質(zhì)量最大的矮行星。54

目前至少有19顆質(zhì)量足夠大的衛(wèi)星能夠呈現(xiàn)球形55，其中包含：

1顆地球的衛(wèi)星：月球；

4顆木星的衛(wèi)星：木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三和木衛(wèi)四；

7顆土星的衛(wèi)星：土衛(wèi)一、土衛(wèi)二、土衛(wèi)三、土衛(wèi)四、土衛(wèi)五、土衛(wèi)六和土衛(wèi)七；

5顆天王星的衛(wèi)星：天衛(wèi)一、天衛(wèi)二、天衛(wèi)三、天衛(wèi)四和天衛(wèi)五；

1顆海王星的衛(wèi)星：海衛(wèi)一；

1顆冥王星的衛(wèi)星：卡戎；月球、木衛(wèi)一和木衛(wèi)二的組成與類地行星相似；其他衛(wèi)星則像矮行星一樣由冰和巖石組成，其中土衛(wèi)三幾乎是由純冰構(gòu)成的。木衛(wèi)二通常被認(rèn)為是冰衛(wèi)星，因為其全球性的表面冰層使得研究其內(nèi)部變得困難。56木衛(wèi)三和土衛(wèi)六的半徑甚至大于水星，而木衛(wèi)四幾乎與水星相等，但它們的質(zhì)量遠(yuǎn)低于水星。土衛(wèi)一是被認(rèn)為是質(zhì)量最小的球形天體，質(zhì)量約為地球的600萬分之一。57

系外行星

系外行星是指位于太陽系外的行星，截至2024年7月24日，NASA系外行星數(shù)據(jù)庫已認(rèn)證的系外行星有5736顆，而候選體行星大約有11000顆。根據(jù)為引力透鏡分析，銀河系平均每個恒星系至少有1.6顆系外行星。58

1992年初，射電天文學(xué)家亞歷山大·沃爾什贊（AleksanderWolszczan）和戴爾·弗雷爾（DaleFrail）宣布發(fā)現(xiàn)了兩顆圍繞脈沖星PSR1257+12運行的行星59，被認(rèn)為首次系外行星認(rèn)證天體的發(fā)現(xiàn)——研究人員懷疑它們是由形成脈沖星的超新星遺跡的殘留盤演化而來。60

1995年，認(rèn)證了首顆繞主序星公轉(zhuǎn)的系外行星飛馬座51b（51 Pegasi b），由日內(nèi)瓦大學(xué)的米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz）宣布發(fā)現(xiàn)。61從那時起直到開普勒空間望遠(yuǎn)鏡任務(wù)為止，大多數(shù)已知的系外行星是與木星質(zhì)量相當(dāng)或更大的氣態(tài)巨行星，因為它們更容易被探測到。而開普勒望遠(yuǎn)鏡打破了這種觀測偏差，其行星候選體名錄中存在大量類海王星及類地行星，甚至有小于水星的行星。62

2011年，開普勒空間望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊報告發(fā)現(xiàn)了首批圍繞類太陽恒星運行的地球大小的系外行星：Kepler-20e和Kepler-20f。63研究表明，每5顆類太陽恒星中就有一顆可能擁有位于宜居帶內(nèi)的地球大小的行星，這種宜居行星的發(fā)生頻率是Drake方程中的參數(shù)之一，該方程用于估算銀河系中存在的智能、可通信文明的數(shù)量64。

系外行星中存在一類稱作“超級地球”的行星類型，它們不存在于太陽系內(nèi)，質(zhì)量介于地球和海王星之間。質(zhì)量不到2倍地球質(zhì)量的天體預(yù)計由巖石構(gòu)成，而超過這個質(zhì)量的天體則可能像海王星一樣由揮發(fā)性物質(zhì)和氣體混合組成。65質(zhì)量超過木星的行星也已被發(fā)現(xiàn)，它們與褐矮星的質(zhì)量范圍無縫銜接。66

系外行星的軌道有些比太陽系中的任何行星都要更接近寄主恒星。水星是距離太陽最近的行星，軌道半徑為0.4天文單位，公轉(zhuǎn)周期為88天，而超短周期系外行星的公轉(zhuǎn)周期可能少于一天。Kepler-11系統(tǒng)中的五顆行星的軌道周期都比水星短，但它們的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水星。而海王星距離太陽30天文單位，公轉(zhuǎn)周期為165年，而一些系外行星距離其寄主恒星非常遙遠(yuǎn)，可達(dá)到數(shù)千天文單位，公轉(zhuǎn)周期超過百萬年。67

另外截至2024年9月，根據(jù)PHL維護(hù)的宜居世界名錄，潛在宜居行星數(shù)量為70顆。

搜尋方法

直接成像與自適應(yīng)光學(xué)

利用高對比度成像技術(shù)，通過大口徑望遠(yuǎn)鏡對恒星進(jìn)行持續(xù)跟蹤觀測，從而發(fā)現(xiàn)并拍攝到系外行星的照片。這種方法適用于年輕、大質(zhì)量且亮度較高的行星。68而通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)（AO），即計算機控制的高靈敏透鏡組抵消地球大氣擾動效應(yīng)，糾正由地球大氣層引起的光學(xué)波前誤差，提高成像精度，能夠科學(xué)家能夠更清晰地觀測到太陽系以外的行星圖像。69自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)在世界上最大的望遠(yuǎn)鏡上得到應(yīng)用，例如NIRPS項目就采用了高階自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)來提高對M型恒星周圍低質(zhì)量行星的檢測精度。70

凌日法

凌日法觀測即當(dāng)行星經(jīng)過其寄主恒星圓面時，會遮擋一部分光，導(dǎo)致恒星的光變曲線發(fā)生微小變化，通過分析這種光度變化，可以推斷出行星的存在及其大小。71凌日法是目前觀測系外行星使用最多的方法，以此認(rèn)證了4000多顆系外行星，其優(yōu)點是對恒星近距行星敏感，利于大規(guī)模搜尋系外行星。但局限是存在軌道傾角限制，凌日法只能探測到行星軌道與視線方向近乎對齊的行星，如果行星軌道平面與觀測方向存在較大傾斜角，則凌日現(xiàn)象不會發(fā)生，導(dǎo)致行星無法被檢測到。另外其他天體或因素也可能導(dǎo)致恒星亮度的微小變化，造成虛假的凌日信號。

視向速度法

這是通過測量恒星因行星引力作用而產(chǎn)生的微小周期運動來探測系外行星的方法72。當(dāng)行星繞其母星運行時，會引起母星沿著我們的視線方向輕微移動，這種移動可以通過精確測量恒星的速度變化來檢測出來。這種方法可以揭示行星的質(zhì)量和軌道周期。73根據(jù)恒星的運動幅度，可以估算出行星對恒星的引力作用，從而推斷行星的質(zhì)量。由于方法只能測量恒星向我們運動的視向速度，行星質(zhì)量只能估算為一個最小值，除非能夠確定行星的軌道傾角。

視向速度法對大質(zhì)量行星非常敏感，尤其是那些靠近恒星的氣態(tài)巨行星。這樣的行星會對恒星施加較大的引力作用，導(dǎo)致更明顯的恒星運動。與凌日法不同，視向速度法并不依賴行星軌道與地球觀測方向的精確對齊，因此可以探測更多類型的行星系統(tǒng)。視向速度法也受到軌道傾角的限制，由于視向速度法只能測量恒星沿視線方向的運動，因此行星的質(zhì)量只能估算出一個最小值，若行星的軌道與觀測方向不對齊，實際質(zhì)量可能遠(yuǎn)大于估算值。

微引力透鏡法

利用恒星或行星對光線的引力偏折效應(yīng)來探測系外行星，這種方法適用于那些非?？拷感堑男行?，因為只有當(dāng)行星足夠接近母星時，其引力才能顯著影響光線路徑。74微引力透鏡法可以探測到非常遠(yuǎn)距離的行星，而其他方法（如凌日法和視向速度法）則主要局限于探測距離較近的恒星系統(tǒng)。該方法對小質(zhì)量行星（如類地行星）也非常敏感，因為微引力透鏡效應(yīng)與天體的質(zhì)量成比例，因此即使是質(zhì)量較小的行星也能夠產(chǎn)生可觀測到的信號。

但微引力透鏡法無法主動尋找系外行星，因為微引力透鏡事件的發(fā)生是隨機且不可預(yù)測的。天文學(xué)家只能通過監(jiān)測大量恒星等待這樣的事件發(fā)生。并且微引力透鏡事件是瞬時的，通常只能觀測到一次。這是因為該現(xiàn)象取決于恒星和行星的精確對齊，一旦它們不再對齊現(xiàn)象就立刻消失。因此它無法通過持續(xù)觀測來進(jìn)一步驗證或深入研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的行星。

脈沖星計時法

理論上可以通過脈沖星計時陣列（PTA）來探測可能存在的系外行星引起的引力波擾動，這種方法依賴于極精確的時間測量技術(shù)。75當(dāng)行星圍繞脈沖星運行時，行星的引力會使脈沖星以微小的幅度圍繞系統(tǒng)的質(zhì)心做周期性運動，這種運動會改變脈沖星輻射信號的到達(dá)時間，導(dǎo)致脈沖的時間出現(xiàn)周期性提前或延遲。通過分析這種精確的脈沖時間變化，科學(xué)家可以推測出行星的存在。從而導(dǎo)致脈沖信號的到達(dá)時間發(fā)生極為微小的變化。

行星宜居理論

恒星宜居帶

環(huán)恒星宜居帶（CHZ）簡稱宜居帶，通常指溫度宜居帶，最早由Kasting在1993年提出76，而目前天文學(xué)界也有恒星磁活動宜居帶的提出。宜居帶內(nèi)的行星溫度和化學(xué)成分有利于生命的發(fā)展，并且有可能像地球般出現(xiàn)高等生命，在適合的區(qū)域內(nèi)的行星或天然衛(wèi)星是潛在的宜居對象，可能會形成類似于地球的環(huán)境。

在一個行星系統(tǒng)內(nèi)，被相信行星必須在宜居帶內(nèi)才能讓生命產(chǎn)生。恒星宜居帶在概念上是包圍在恒星四周圍的球殼狀空間，所有在范圍內(nèi)的行星表面溫度都應(yīng)該能使水維持液態(tài)，因為液態(tài)水被認(rèn)為對生命是至關(guān)重要的，它的是作為生物化學(xué)反應(yīng)所需要的溶劑。

如圖7所示的沃爾夫1061行星系統(tǒng)，深綠色范圍是最佳宜居帶，淺綠色為寬泛的宜居帶，圖中演示了沃爾夫1061系統(tǒng)中從內(nèi)到外b、c、d三顆行星的軌道分布關(guān)系，其中沃爾夫1061b離寄主恒星很近，沃爾夫1061c位于宜居帶中，而沃爾夫1061d處于高離心率軌道。

一般認(rèn)為太陽系的宜居帶范圍為0.99~1.688天文單位，根據(jù)溫度和溫室效應(yīng)劃分為近期金星區(qū)域、失控溫室效應(yīng)區(qū)域、濕潤溫室效應(yīng)區(qū)域、極大溫室效應(yīng)區(qū)域和早期火星區(qū)域77。而大部分說法均指出一個行星的大氣層厚度會影響其宜居帶位置，因此一個距離恒星比地球更遠(yuǎn)的類地行星需比地球質(zhì)量大，才能在其表面保留液態(tài)水。78

地球相似指數(shù)（ESI）

以下內(nèi)容均來自PHL的頁面。

基于恒星輻射通量、半徑或質(zhì)量可以計算系外行星的ESI，通常服從一個距離度量公式：

其中，是恒星輻射通量，是行星半徑，而是地球的太陽輻射通量，是地球的半徑。這個ESI表達(dá)式使用二次平均作為距離度量，這在統(tǒng)計上可以解釋為卡方分布。該表達(dá)式適用于凌日法發(fā)現(xiàn)的行星，且只能通過行星半徑進(jìn)行推算，同時該公式也可用于徑向速度法發(fā)現(xiàn)的行星，通過假設(shè)來進(jìn)行計算，其中是行星的質(zhì)量（或最小質(zhì)量）。質(zhì)量與半徑的關(guān)系也可以用作轉(zhuǎn)換依據(jù)，但通常不需要，因為在關(guān)注的范圍內(nèi)（即ESI接近1.0的情況下），兩者給出的結(jié)果相似。

另一種ESI表達(dá)式基于行星的半徑、密度、逃逸速度和表面溫度，這種方法提供了對比地球最簡單且最佳的參數(shù)組合（Schulze-Makuch等，2011）。使用這種ESI公式，任何ESI值超過0.8的行星都可以被認(rèn)為是類地行星，這僅意味著該行星可能是巖石行星，并且可能擁有溫和的大氣層，但并不一定適合居住。ESI值在0.6到0.8之間的行星（例如火星）仍可能具備可居住條件，因為宜居性還取決于許多其他因素。該ESI的計算公式為：

其中，是行星的某一性質(zhì)（例如表面溫度），是對應(yīng)的地球參考值（例如平均表面溫度288K），而是權(quán)重指數(shù)，是行星屬性的數(shù)量，而ESI則是相似性度量。權(quán)重指數(shù)用于調(diào)整不同屬性之間的敏感度并使其在尺度上具有一致性。在實際應(yīng)用中，簡化的ESI表達(dá)式通常用于系外行星（僅使用恒星輻射通量和質(zhì)量或半徑），因為這通常是我們能獲取的唯一數(shù)據(jù)。

下表中列出了平均半徑、密度、逃逸速度和表面溫度的ESI公式參數(shù)。為了便于使用，ESI可以分為內(nèi)部ESI（基于平均半徑和密度）和表面ESI（基于逃逸速度和表面溫度）。內(nèi)部ESI和表面ESI結(jié)合形成全球ESI。由于ESI基于地球的定義，它更多是行星表面的間接宜居性指示，而非行星內(nèi)部的宜居性指示。

|| || ESI計算權(quán)重表

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初級生產(chǎn)者宜居度（SPH）

以下內(nèi)容均來自PHL的頁面。

SPH（標(biāo)準(zhǔn)初級宜居性）是用于衡量初級生產(chǎn)者（如植物）宜居性的多參數(shù)指標(biāo)，其取值范圍在0（名義環(huán)境）到1（最佳環(huán)境）之間。SPH與植被分布和凈初級生產(chǎn)力（NPP）相關(guān)聯(lián)。SPH的最重要應(yīng)用是以初級生產(chǎn)者為標(biāo)準(zhǔn)，評估地球（或系外行星）的全球宜居性。首先基于兩個容易通過地面或軌道觀測測量的環(huán)境變量：溫度和相對濕度，來定義SPH。因此，當(dāng)前的SPH公式可以被視為一種氣候宜居性的衡量標(biāo)準(zhǔn)。SPH有助于建立地球宜居性的基準(zhǔn)，用于行星宜居性評估，以及從古氣候到全球氣候變化的地球宜居性演變評估。

其中，SPH是標(biāo)準(zhǔn)初級宜居性，