天文學家提出用檢測磁層訊號的方法尋找系外行星

截至今日（8月17日）為止，天文學家發現了5,069顆系外行星，並有8,833顆正等待確認。天文學家尋找系外行星的方法，主要包括凌日法（Transits）、逕向速度法（Radial Velocity）、直接拍照法（Direct Imaging）、微重力透鏡法（Gravitational Microlensing）及天體測量法（Astrometry）等。大多數的系外行星都是透過凌日法找到的，目前共有3,850顆，約佔總數量的76.5%。

凌日法是利用光學望遠鏡經過長時間觀測恆星亮度，若恆星亮度隨時間發生週期性的減弱下降，則表示可能有行星從其前方經過，遮蔽母恆星部分光源。不管是凌日系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite）或已經退役的刻卜勒（Kepler）太空望遠鏡，都是凌日法的強大觀測工具，但是本方法也有局限性。其中最大的一項限制是，受觀測的系外行星必須經過望遠鏡與它的宿主恆星之間，才有機會觀測到。凌日法主要依賴光學望遠鏡，目前科學家提出一種新的尋找系外行星方法，主要透過射電望遠鏡探測系外行星。

在射電波長下觀測系外行星並不容易，大多數行星不會發出射電波，但是恆星會。由於恆星耀斑（stellar flares）等因素，來自於恆星的射電源也可能有很大的變化。但是像木星這類的大型氣體行星，也可能有強烈的射電源，這些射電源不是來自於行星本身的發光，而是由於其強大的磁場導致，主要是因為來自恆星風的帶電粒子與磁場相互作用，因而產生射電源。木星的射電源是非常強的，甚至可以利用自製的射電望遠鏡來觀測，天文學家已經觀測了幾顆棕矮星的射電訊號。

但目前還沒有清楚的觀測到來自系外類木行星圍繞它的母恆星運行的射電訊號。在新的研究中，天文學家研究這些訊號可能出現的樣子，這個模型建立在磁流體力學（magnetohydrodynamics，簡稱 MHD）的理論上，它描述磁場和電離氣體如何交互作用，並將模型應用於HD 189733行星系統中，該系統已知有一顆木星大小的行星，研究團隊模擬它的母恆星的恆星風如何與行星的磁場相互作用，並計算出該行星的射電訊號。

研究發現兩種現象。第一，研究團隊發表這顆系外行星產生的清晰訊號變化曲線，這是由於系外行星運動，所產生的射電變化的訊號。這個運動的射電觀測是非常精確，甚至比光學的都卜勒效應（Doppler effect）觀測更精確。第二，研究團隊發現，射電觀測亦可以觀測到系外行星環繞母恆星的凌日現象，在射電訊號中會有特定的特徵，顯示系外行星的磁層是如何從它的母恆星前面經過，這表示天文學家可以更精確的觀測到系外行星磁層的強度和大小。

這兩種訊號非常微弱，因此需要新一代的射電望遠鏡協助，才能有更好的觀測結果。如果觀測到系外行星射電訊號，這些訊號將為天文學家提供系統中至少有一顆行星軌道的精確資料，並可以協助天文學家了解系外行星的組成與內部狀況。

【圖：美國太空總署；文：節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2022年8月11日出版的 arXiv 論文預印本網站；標題是： Exoplanet Radio Transits as a Probe for Exoplanetary Magnetic Fields -- Time-dependent MHD Simulations

HD = The Henry Draper Catalogue = 亨利·德雷伯星表