这片银河系的小区域有着形态各异的行星系统，多样性远远超过天文学家的预期。如果把冥王星也算作行星的话，我们会发现太阳系的行星远远不止八颗。太阳系内的行星，原来是九大行星，但是天文学家发现最远的那颗冥王星。其实有很多和它类似的小天体，如果把冥王星也算作行星的话，我们会发现太阳系的行星远远不止八颗。
大家可以看到这个图上，靠内的有四颗，靠外有四颗，靠内的就是类似于地球的行星，靠外的话就是个子比较大，是气态的巨行星。
那么，太阳系外是什么情况呢？这张图是太阳系在银河系里面的位置，大家看到黄色的一个小圈就是我们所处的太阳系。它和银河系相比起来，确实微不足道，我们就是一个渺小的太阳系。
图上的开普勒是探测系外行星的一个空间望眼镜，这个黄色的三角型区域就是它所观测的天区，其实这么一个天区和整个银河系比起来也是很小的。但就是这么小小的区域，天文学家在里面发现四千多颗行星。看这个图上有很多旋转的一些圆圈，这就是天文学家找到的行星。大家可以看到这个行星距离中央的恒星距离远近不同，颜色也不同，不同的颜色表示它的温度也不同。因为离主星距离远近不同，它表面的温度也会不一样。
因为远近不同，它运动的周期也会不一样，这些都是形态各异的行星系统，它们的多样性远远超过天文学家的预期。
借助空间设备，天文学家在系外行星领域取得了巨大的进展。图上右边这两位科学家，是2019年系外行星的一些先驱的研究者，因为发现了第一颗在类似太阳恒星周围的系外行星，获得了2019年诺贝尔物理学奖。他们发现的是飞马座51b，它跟我刚才说的太阳系靠外的那四颗一样，是类似木星的气态巨行星。
这种气态巨行星不太适合人类居住，它的质量大概是我们太阳系内木星质量的一半。开普勒还发现了一种类地的行星，是距离我们最近的一颗比邻星，在比邻星周围发现了比邻星b。它距离我们大概四光年，它的大小和地球类似，它也可能处于宜居带内，可能会有液态水存在，这样一个行星是天文学家特别感兴趣研究的目标。
行星目标非常小，天文学家是靠什么办法来观测的呢？大概有两类，一类是比较间接的办法，还有一类是比较直接的办法。
比较间接的方法，专业术语叫“视向速度”，比如我们在火车站月台上等火车过来，火车呼啸而过，当它朝向我们的时候，呼啸音调越来越高；离开月台的时候，火车的音调会降低，音调表示频率，频率的变化可以推断这个火车的速度。现在研究系外行星，就相当于有一个火车在这个星球里面。图上蓝色点是行星，黄色点是恒星，因为恒星和行星相互绕转，就相当于有一辆火车。它有时候会靠近我们，有时候会远离我们，周而复始来回这么运动。
在运动过程中就会产生像我刚才说的火车呼啸的声音，音调变高变低的效应，现在研究系外行星就不是火车发出的声波，而是恒星发出的光波。通过这个光波，它也有频率，也会上升、下降，我们通过监测这个频率的上升、下降，就可以推测行星的一些信息。
另外一种方法，是大家可能比较熟悉的通过凌星观测系外行星。
比如，我们经常看到新闻报道有日食，这是因为月亮在地球和太阳之间，月亮把太阳的光挡住了，挡得多的话，就变成全食，挡得少就变成了偏食。如图，光线随着时间的变化，月亮绕过日面，开始没有遮挡，它的高度、亮度就是最左边那条比较平的亮度线。挡住的时候，相当于在底下挖出一个坑，然后当月亮慢慢地走出日面，亮度又会回升起来，就形成中间有个坑的光变曲线。行星同样可以起到这样的作用。
大家可以看这个小电影，如果行星处在恒星和地球之间，行星挡住它所围绕的恒星，也会造成亮度的变化，形成一个坑。通过凌星这个信号，我们就可以推测这个行星的大小。如果行星个子够大，像月亮一样，就可以变成全食；如果行星的个子小一点，可能挖的坑就比较浅，通过坑的深浅来推测这个行星的大小。
我们通过凌星观测方法，发现了很多系外行星系统。这其中有一个特别好玩的，我们红矮星周围发现了7颗行星，我们叫它“葫芦7兄弟”。它和太阳系有一个显著不同就是这个非常致密，相当于我们在太阳系水星轨道内，摆上7颗行星，而且他们排列非常致密，排布也比较均匀。这是很多系外行星不同于太阳系的特点，这也是为什么我们很着迷研究系外行星的一个原因。
刚才说的两个都是间接的办法，当然还有很直接的，比如说直接成像。
大家可以看到这张图中有4颗星体，如果仔细看的话，有4颗亮点围着中间那一团在运转，这个就是通过给行星直接成像拍摄到的4颗系外行星。这里有一个技术难点，因为在地球上会碰到湍流，如果大家坐飞机，有时候空乘人员会提醒我们飞机在颠簸，那就是说遇到了湍流，湍流就会引起振荡。如果望远镜遇到了空气中的湍流，这个像就会抖动，那样的话就看不清楚。
如果用合适的技术把这个抖动剔除掉，类比我们给近视眼戴上了近视眼镜，感觉世界突然一下变得好清晰。这幅图表示这种技术，就可以用到左边这个系外行星的探测上面来获得它的直接成像。
当然这是在地球上，现在也把望远镜放到天空上去，我们中国和国际的研究水平在这个领域还有差距，但是我们也在奋起直追。最下边这个图就是中国空间站工程的巡天望远镜，天文学家在这个望远镜上摆了一个星冕仪。
它不仅可以着眼于宇宙学的研究，还可以探测系外行星的大气，相当于直接给大气成像，然后探测系外行星大气里面的一些信息。比如它的化学组成，它的温度分布等，还可以得到很多系外行星的知识。未来中国的系外行星一定也可以做出很重大的发现。
系外行星是怎么形成的？我们发现这么多系外行星，大家肯定会好奇这个系外行星怎么形成的。这个扁平的结构，叫做吸积盘。大家可以看到行星在这个盘里慢慢地聚集、长大，然后盘慢慢消失。
行星就围绕中央的恒星在旋转，形成我们现在观测到的多样化的行星系统。行星形成过程有四个非常重要的步骤。首先是分子云的塌缩，塌缩之后，比如说缩小一千倍，然后形成吸积盘。吸积盘和行星之间的相互作用，这个盘慢慢消散掉，只留下中间绕恒星旋转的行星。
在第一步到第二步的时候，这个当中会发生体积收缩，这里面有一个新名词叫“角动量”。
如果大家看过花样滑冰运动员就应该理解了，花样滑冰运动员在开始的时候，把手打开，旋转得很慢。当他收拢的时候，他就会旋转得很快，这说明角动量是守恒的。当它收拢的时候，相当于第一幅图分子云在塌缩，塌缩的时候，角速度就会增大，就像厨师甩出印度飞饼一样，会甩出一个饼状的结构，就是天文学家所说的吸积盘。这个吸积盘对行星形成具有重要作用，有了这个盘大概有两个通道可以形成行星，这取决于这个吸积盘的质量。
第一个通道就是当这个吸积盘的质量够大，因为大质量的吸积盘里面的引力不稳定性。引力的话就相当于牛顿发现苹果落地，就是因为两个物体之间会相互吸引，大质量吸积盘就会形成大质量的行星，大家可以看一下这个小电影。这个吸积盘在形成的时候会旋转，你可以看到一个像S型的结构，然后这些S相互碰撞，最中心形成一颗很亮的恒星。
在外围，大家仔细看会有两个很亮的斑点，出现第一个，现在第二个也出现了，这两个斑点就是形成了大质量行星。
第二个通道就是如果吸积盘的质量比较小，引力不稳定性就不工作了。大家可以看一下这个小质量的，看到它只是在那儿转转转，并没有出现刚才说的那种小的很亮的斑点，只是中间形成了一颗恒星，就没有形成周围的行星。在这个通道上，尘埃起着非常重要的作用。
这个通道里面，盘里不光有气体，还有尘埃，尘埃像我们通常所说的PM2.5，很小的颗粒，相互碰撞，粘在一起，逐渐长大。长大以后变成星子，这个星子可能变成巨大的岩石块，达到公里量级，就是一公里大小的这种大石头，在行星形成早期会有这种，而且非常多数目。这些公里大小的石块在绕着恒星飞舞的时候，它们之间同样也会相互碰撞，相互吸引，它们还会长得更大，就形成行星胚胎，个体估计像月球大小。
另外还有一件更有意思的事情，如果引力占优，非常强。这时候行星胚胎和这个吸积盘就会发生相互作用，这里可以看一下动画。行星胚胎相当于一个石头扔到一个水池里。大家可以看到石头相当于中间最亮的那个点，石头在橙色的水池里会激起一团涟漪，这就是行星胚胎和这个盘相互作用产生的效果。除了产生涟漪之外，行星还会朝向中央的恒星迁移。大家可以看这个图，行星不光围着恒星在旋转，而且在旋转的时候也在不停的旋进。
理论表明旋进的速度非常快，如果没有什么机制阻碍它的快速迁移，我们一般都看不到行星，它都会被周围的恒星吞掉。我们也做了一点小事情，就是采取办法减慢它的迁移，这个叫做漩涡的不稳定性。如果大家生活中有经验，比如说一个盘里的结构不是那么光滑，比如一个水流里面突然立起一块石头，石头后面就会出现一些小漩涡。
吸积盘里面也有类似的情况，也会导致漩涡出现，有可能极大的减慢行星往内旋进的速度，我们就有机会在这个盘里看到存活下来的行星。
除了行星，这个石头在水池里激起涟漪，它还可以把周围的气体给吸过来。最开始说八大行星的时候，有类木气态巨行星和类地的固态行星。
行星在形成过程中，如果它有能力把这个气体吸到周围，吸足够量的话，就有可能长成气态的巨行星，像类木的行星；如果没有足够的能力吸足够的气体，或者说气体在它吸的时候完全消散掉了，没东西可吸，那它就会变成类似地球这样的行星。以上就是给大家粗略介绍了一下行星系统怎么形成，怎么观测的问题。但实际上这里面有很多未解的谜题，如果我的报告能够吸引到更多年轻人关注的话，我这个报告的目的就达到了。谢谢大家！