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寻找太阳系外第一束射电波的竞赛已经开始 近些年来，不可思议的系外行星大发现层出不穷。几乎每个月都有新发现：已知最小的系外行星，最椭圆的轨道，或者最拥挤的行星系统。尽管如此，成千上万的系外行星候选者中的绝大多数其实都是被间接探测到的（即观测行星对它临近的恒星产生的作用，而不是直接观测行星本身）。大多数观测活动都是在可见光和红外波段进行的，而同样是在这两个波段，行星的光芒常常被耀眼的临近恒星所掩盖。因此，天文学家是通过观测行星拉扯而引起的恒星摆动或者掩星现象来寻找系外行星的。所以，极少有行星能被直接拍摄到。 不过，行星不只在可见光波段有辐射。既然如此，我们在其它波段是否能更容易地探测到它们？射电天文学家早在几十年前就已经给出了建议，而现如今，探测技术也终于跟了上来。既然直接探测成为可能，那么寻找来自系外行星的第一束射电波的竞赛便拉开了帷幕。 来一场射电风暴吧 自从1955年Bernard Burke和Kenneth Franklin发现木星的射电爆发以来，天文学家在几十年间已经多次记录到发生在这颗巨大的气体行星上的强烈射电风暴。这些风暴源自木星的磁层——它像一个巨大的蚕茧包围并保护木星免受太阳风粒子的轰击。木星磁层是太阳系内最大的结构体之一，其大小可以完全把太阳和其日冕囊括其中。从地球看过去，它的角直径达1.5度，是满月角直径的三倍大。 木星的磁场非常强大，足以偏转绝大多数来自太阳的带电粒子。虽然还有少数“漏网之鱼”能够穿过磁层，但磁层内部绝大多数等离子体来自内部——源自木卫一（Io）的火山喷发。在木星磁层的控制下，从木卫一的引力束缚下逃逸出来的硫离子和氧离子——电子也如是——散布在一个环绕木星赤道的、像甜甜圈一样的区域里。等离子体中的电子沿磁力线倾注到木星的两极。当电子沿磁力线作螺旋运动并且越转越快时，它们带动其附近的等离子体，从而产生出连贯的射电爆发。
在一次射电爆发过程中，木星便成为太阳系内最亮的射电源。射电辐射束呈空心圆锥状，因此，只有当圆锥的边正对着我们的时候我们才能探测到信号。随着木星的自转，射电辐射束就如灯塔一般，每9.9个小时旋转一周——实际上，此时的木星就像一个弱射电脉冲星。 由于有恒定的等离子体源，木星的极光虽然有亮度变化，却是永久出现的。相比之下，地球的极光与太阳活动有关，因而是短暂的。由于缺乏卫星提供等离子体，只有当地球磁力线和太阳磁力线平行的时候，地球上才会出现极光。因为，此时太阳发射出的带电粒子能通过磁力线穿过地球磁层，进入到地球大气的电离层。 与地球的极光相比，木星的射电风暴要强烈得多。它们的光芒甚至可以盖过太阳的光辉。即便是业余射电天文爱好者也能捕捉到这些信号。最常见的两种信号是长暴（像海浪冲刷海滩一样）和短暴（像卵头敲击锡制屋顶一样）。假设你接收到一个疑似木星发出的射电信号，却又不能肯定？你可以试着把接收频道调到一个稍稍不同的频段。如果信号依然存在，那么它很可能来自木星，而不是广播电台（电台的信号会随频段的改变而淡入和淡出）。天文学家们也可以安坐在椅中，直接在美国宇航局的射电JOVE项目的网页上接收信号（radiojove.gsfc.）。 无论你是用自己的射电仪器还是网上在线收听信号，你都要仔细选择收听的时间。因为，你要想成功接收到信号，木星不仅需要出现在地平线上，你还要参考木星射电爆发预测时间表。木星的射电爆发与许多因素有关，其中包括木卫一相对于木星和地球的位置。
已经花费几十年时间集中研究木星射电爆发的射电天文学家们自然而然会猜测：如果木星在射电波段是如此的耀眼，我们是不是可以利用已知的木星射电辐射知识来寻找系外行星？其实，这个想法并不新鲜——早在1976年或者更早，系外行星还未发现的时候，这个想法就已经被提出来了。随着低频射电探测能力的提高，系外行星搜寻活动已经揭示出了几个有希望的候选者。 在低频段进行射电观测仍非易事。除开其它射电干扰，仅银河系自身的射电背景辐射就很强，还有来自自然的和人为的射电信号也在干扰着观测。话虽如此，射电观测却能够为我们提供可见光波段观测很难、甚至不能提供的细节信息，例如行星磁场的强度，自转速度和行星与恒星间的相互作用等等。 好几个研究团队已经在高频波段（即几千兆赫兹频段，而不是木星射电信号所在的几兆赫兹）探测到褐矮星、甚至更小质量的恒星发出的强射电信号。这些射电爆发更明亮，也发生在更高频段，这是因为行星拥有更强的磁场。不过，这些偏振射电信号的产生机制可能和木星的射电爆发机制相同。实际上，去年，英国莱斯特大学的学者Jonathan Nichols和他的同事在木星极光产生机制的基础上进行外推，提出了一个简单模型，可以重现观测到的褐矮星和类似小质量恒星产生的射电信号的强度和出现频率。 想探测更小质量天体——诸如木星大小的系外行星——的射电辐射则需要特殊的观测环境。当前的射电望远镜阵只能探测到距离我们一光年远的、类似木星射电爆发强度的信号。这个距离远小于地球到半人马座α星的距离——这是离我们最近的恒星系统的距离。我们已知的系外行星再没有比这个距离更近的了。因此，更远的系外行星，其磁场必须能产生更强的射电信号，才能够被我们探测到。从理论上看，似乎存在无限多的方式能加强系外行星的射电辐射。对此，天文学家并不是随意调整磁场强度，而是从已知的太阳系和系外行星的实际情况出发，外推到系外行星的磁场。 好几个研究团队公认的最好的模型是“炽热木星”——巨大的气体行星由于距离它的恒星过近而无法保住自己的卫星。强烈的恒星高速粒子猛烈轰击着它们，产生强烈的极光射电辐射。 不过，这里也存在一个问题：“炽热木星”很有可能会像地月系统那样和自己的恒星产生潮汐锁定。如果事实果真如此，它的公转速度必须很慢，因此，它的磁场强度会降低。不过，即使没有磁场，行星仍然可以扮演木卫一的角色——即为它的恒星提供等离子体。只要恒星的磁场强度足够大，这个恒星系统就能产生比木星亮一百万倍的射电爆发。 如果“炽热木星”模型和事实相符，那么射电望远镜就能探测到距离我们一百光年远的“炽热木星”。数个已知的系外行星已经包含在这个距离范围内了。 第二种可能性是：恒星系统的情况与太阳系相同（类木系统），也就是说，巨大气体行星距离它的恒星有好几个天文单位远，而且拥有自己的、类似木卫一的卫星。在2011年Nichols的估算结果， 正在工作或者即将投入运行的射电望远镜可以探测到距离我们几十光年的类木系统发出的信号，只要它们具备一项（或多项）下列特征：行星的公转速度比木星快，行星拥有更强的磁场，或者恒星能产生大量紫外和X射线辐射。当然，如果系统具备所有这些特征，它将产生最强的射电信号。
Nichols的粗略估算显示出在适当的条件下，低频阵（Low-Frequency Array，简称“LOFAR”。它已于2012年12月开始常规的观测工作）能够探测到多达40个临近的恒星系统。虽然，到目前为止，LOFAR项目组还没有发布任何系外行星的观测结果，但他们仍在继续积累、扩大着他们的搜寻工作。 在世界其他地方，还有几个射电望远镜也在搜寻着系外行星。它们是位于印度的大型米波射电望远镜（简称“GMRT”），乌克兰建造的T形射电望远镜阵（简称“UTR-2”）和美国境内的甚大阵（简称“VLA”）。位于美国新墨西哥州的长波射电望远镜阵将来也可能会加入到搜寻竞赛中来。 目前的搜寻工作仍集中于探测已知的、类似木星大小的系外行星的射电爆发。可是，截至目前， 只有GMRT曾经探测到一个疑似来自系外行星的射电信号，而且该信号未得到证实。我们仅从一个“炽热木星”的候选者HD 189733b身上探测到一个极其微弱的信号。虽然，我们从另一个候选者HAT-P-11b（其质量和海王星差不多）那里探测到稍微强些的射电信号，但那 个信号在后续观测中再没有出现过。
尽管如此，天文学家仍然保持乐观，搜寻工作也仍在继续。 来自法国LESIA和CNRS-Paris Observatory的Philippe Zarka参与了GMRT的观测工作。对此，他这样说： “一旦我们找到一个系外行星，我们就能找到许多个。它们就在那里，只是我们还无法探测到。” 除了低频射电观测本身固有的困难之外，Zarka解释说理论预测给出的探测范围过于宽泛，所以，我们不清楚目前的望远镜是否已经足够灵敏、能够探测到信号。首个系外行星的发现会告诉我们以后应该在哪个波段进行搜寻。 如果当前的观测技术能够探测到系外行星的射电信号，那么首次成功探测的经验将会指引我们在将来的搜寻工作中获得更多的成功。虽然机会渺茫，但第一束来自系外行星的射电辐射将为我们展开一个全新的探索领域，并且增进我们对太阳系外遥远世界的了解。 |
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