太阳系外行星
太阳系外行星（简称系外行星；英语：extrasolar planet或exoplanet）泛指在太阳系以外的行星。不过我们通常提到的系外行星时，更关注于位于太阳系以外围绕其它恒星公转的行星，而较少提到无家可归行星和围绕致密星公转的行星等。
千年以来，天文学家中一直流传着系外行星的猜想。而到了20世纪90年代初，这一假设成为了现实，瑞士天文学家发现了首颗围绕类太阳恒星公转的系外行星飞马座51b 。此后，系外行星成为了天文领域的热门方向，2002年起每年都有数十个新发现的系外行星；在开普勒太空望远镜升空后，这一数量更是迅速增长。探测系外行星的方法也层出不穷，例如视向速度法，掩星法，直接成像法，微引力透镜法等。截止2020年11月16日，我们已经发现了来自3234个行星系统中的4374颗系外行星，以及来自2365个行星系统中的2550颗系外行星候选体。
随着系外行星的不断发现，我们对其物理性质，组成成分，演化机制等也同样进行了假设和研究，并发现了一些特殊的天体，诸如热木星，热海星，超级地球等。这些发现使得我们对宇宙的认识进一步加深，为我们提供了研究行星系统演化的契机和发现“开普勒452b”的希望，也使得外星生命的发现成为可能。
定义
国际天文学联合会（IAU）在2006年定义的“行星”一词仅包含太阳系，因而不适用于系外行星。不过，IAU也有涉及系外行星的定义，该定义于2001年颁布并在2003年进行了修改。其表述如下：
实际上，随着新的系外行星的不断发现，该定义也有其局限性。有的天文学家建议根据行星形成机制将系外行星和褐矮星以及亚褐矮星区分开来。
一方面，以氘核聚变为阈值并不能准确区分不同形成机制形成的相似质量（大约在几倍到几十倍木星质量）的天体。行星形成过程中的吸积过程会形成岩态的内核，从而使得最终形成的气态巨行星可能超过氘核聚变的下限质量。例如，法国的SOPHIE阶梯光栅光谱仪于2009年发现的一颗14.3倍木星质量的系外行星。而恒星之中存在亚褐矮星，它虽然是由星云直接塌缩形成，但质量却在13倍木星质量以内。这样的天体早在1995年便有发现。
另一方面，氘核聚变的阈值本身便是一个质量范围，大约在10-15倍木星质量之间，13倍木星质量并不是一个精确值。在“太阳系外行星百科全书”数据库中，我们就能看到质量在15个木星质量以上的系外行星。
命名方式
系外行星的命名基于华盛顿哥伦比亚特区多星系统目录（ Washington Multiplicity Catalog，简称WMC）命名系统的补充，并被国际天文学联合会采用。在WMC命名系统中，最亮恒星或拥有最亮恒星的恒星系统以字母标签“A”命名，未包含在恒星系统“A”中的其它恒星/恒星系统顺序以“B”，“C”等来命名。更低层级的恒星系统或恒星在之前一个或多个主标签的基础上加以后缀，第二层级加以顺序的小写字母，第三层级则加以顺序的数字。若有三星系统，其中两颗恒星彼此紧密绕转，这两颗恒星组成的系统比第三颗恒星更亮且围绕第三颗恒星在遥远的轨道中运行，那么这两个紧密绕转的恒星将被命名为Aa和Ab，而遥远的恒星将被命名为B。但由于历史原因，我们并非始终遵循此标准。
对上述标准进行扩展，我们通常在母星的名称之后添加小写字母来命名系外行星。在行星系统中发现的第一个行星将被命名为“b”（母星被认为是“a”），而之后发现的行星按小写字母顺序命名。如果在同一系统中同时发现了多颗行星，则按照行星到母星的距离由近到远用小写字母顺序命名。当然，在此之外仍有一些特殊情况。
另外，国际天文联合会在2014年和2019年分别进行了面向全球的系外行星命名征集。在命名候选名单中的系外行星除了原先的编号之外将会获得一个新的名称。例如，中国天文学家发现的首颗太阳系外行星HD 173416 b在2019年的命名结果中获得了一个美丽的名字——“望舒”。
发现历史
历史上的推测
早在古希腊时期，便有学者提出了系外行星的假说，但这一概念和德谟克利特的原子假说一样，过于超前。
到了16世纪，意大利科学家布鲁诺发展了尼古拉·哥白尼的日心说，在《论无限、宇宙和诸世界》中提出了对于系外行星的预测。他认为天空中的恒星都像我们的太阳一样，周围也会环绕着行星，而这些行星也可以孕育自己的生命。然而，地心说还保持着它千年来的惯性，这一思想和哥白尼的日心说一样，被打为异端。
1687年，艾萨克·牛顿出版了其划时代的著作《自然哲学的数学原理》，其中提到了同样的可能性。通过与太阳周围行星类比，牛顿脑海中浮现出的，是其他恒星周围类似太阳系一样行星环绕的壮观场景。此后，系外行星的猜想也开始被越来越多的人所接受。
近现代的探索
1855年，印度裔英籍天文学雅各布（William Stephen Jacob）宣布在蛇夫座70双星系统中疑似发现了一颗类似行星的天体。随后，美国天文学家西伊（Thomas Jefferson Jackson See）于1896年表示证实了这个发现，并计算出了该天体的轨道周期为36年。但近来天文学家普遍认为这一发现有误。
1917年，荷兰裔美国天文学家范·马南（Adriaan van Maanen）发现了一颗光谱被“污染”——存在重元素谱线的伴星，并将其命名为范马南星（van Maanen's Star）。他将光谱的污染归因为白矮星周围有一颗暗弱的F型恒星。实际上，最新的理论认为这一污染可能来自于系外行星：系外行星对小行星的摄动可能使小行星撞入白矮星中，从而产生光谱的污染。因而这成为了历史上第一个观测到系外行星的间接证据。
1953年，英国天文学家菲尔格特（Peter Berners Fellgett）总结前人的经验，提出了一种新的分光仪，以提高当时克里斯蒂安·多普勒视向速度的测量精度。 1967年，英国天文学家格里芬（Roger F. Griffin）将这一想法付诸了实践，成功建立了光电视向速度分光光度计，之后与另一位格里芬教授（Rita E. Griffin）进行了改进，使得光谱仪的观测精度优于100m/s ，即可以观测到视向方向100m/s的速度变化。之后在天文学家的努力之下，这一数字得到了进一步的提高，为后来利用视向速度法发现系外行星奠定了坚实的基础。
黎明前的黑暗
1988年，一个加拿大系外行星探测小组宣布发现了第一颗围绕类太阳恒星运转的系外行星。他们观测到了少卫增八视向速度的异常变化，并推测出这一变化可能是一颗质量在木星质量的1-9倍的行星所致。但是，由于观测数据的置信度不高，该发现并没有被广泛承认，发现第一颗系外行星的殊荣也与这个系外行星探测小组失之交臂。直到2002年，天文学家才利用更高精度的视向速度测量证实了这颗系外行星的发现，并命名为少卫增八Ab（Gamma Cephei Ab）。
1989年，美国天文学家大卫·莱瑟姆（David W. Latham）领导的系外行星探测小组发现一颗围绕恒星HD 114762运转的天体，之后命名为HD 114762 b。他们推测该天体的质量下限为11倍木星质量，轨道周期为84天，可能是一颗褐矮星或气态巨星。这一发现于1991年得到了其它天文学家的证实，该天体也在当时被作为是第一颗发现的围绕类太阳恒星运转的系外行星。遗憾的是，随着对HD 114762 b的进一步研究，天文学家更精确地测定了该天体的质量（超过13.5倍木星质量），并认为这不是一颗系外行星而是褐矮星。
系外行星的首次发现
1992年，两位射电天文学家——美国阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）的亚历山大·沃尔兹森（Alexander Wolszczan）和美国国家射电天文台（NRAO）的戴尔·弗莱尔（Dale A. Frail）发现了围绕脉冲星PSR B1257+12运转的两颗行星，分别被命名为PSR B1257+12 B和PSR B1257+12 C。根据两人的计算，PSR B1257+12 B的质量约为地球的3.4倍，距离母星0.36天文单位；PSR B1257+12 C的质量约为地球的2.8倍，距母星0.47个天文单位。这是人类首次明确证实的太阳系外行星的发现，也是首次发现后来被称为超级地球的天体。
1995年，日内瓦天文台的天文学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor）与迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布发现了首颗围绕类太阳恒星公转的系外行星飞马座51b（51 Pegasi b）。其母星飞马座51距离地球50.45光年，光谱型G2IV。利用视向速度法，两位天文学家计算出了飞马座51b距母星约800万公里，质量约为0.5-2倍木星质量。与太阳系相比较，这相当于把木星放在了水星轨道以内。之后，天文学家把这一类拥有木星质量但轨道十分接近母星，表面气温很高的天体称为热木星。
由于围绕类太阳恒星公转的系外行星的划时代意义的发现，米歇尔·马约尔与迪迪埃·奎洛兹两人和美国普林斯顿大学的宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）一起分享了2019年度诺贝尔物理学奖。这一发现于天文学掀起了一场革命，而诺贝尔奖的颁奖词同样写道：“他们的发现永远改变了我们对世界的认知。”
最新发现
2022年2月18日消息，美国航空航天局发现10颗系外行星，6颗比木星还大。
2022年9月1日，美国国家航空航天局称，詹姆斯·韦布空间望远镜首次拍摄到一颗被命名为HIP 65426 b的系外行星。
詹姆斯·韦布太空望远镜首次发现了一颗围绕恒星运行的系外行星。这颗行星正式编号为LHS 475 b，位于距离地球41光年的八角星座，其大小几乎和地球相同，是地球直径的99%。
多名天文学家组成的国际团队发现了一颗非常接近于地球，可能适合人类居住的系外行星---Wolf 1069 b。这颗系外行星围绕着恒星Wolf 1069运转，距离地球31光年。
探测方法
方法一：天体测量学
天体测量学，主要通过精密追踪一颗恒星在天空中运行轨迹的变化，来确定受其引力拖曳的行星所在。这与径向速度法的原理很类似，只不过天体测量学并不涉及恒星光芒中的多普勒频移。
天体测量学可不是从1992年才开始为人所用的。它其实是搜寻系外行星最古老，并且起初也是最常用的方法——早期都是以肉眼和手写来记录的。但在近几十年历史中，科学家们在应用该方法发现行星的过程中取得的成果寥寥，且常富于争议。2010年10月发现的HD 176051b，是目前唯一一颗已经确认的、借由天体测量方法发现的系外行星。
不过，即将于2013年10月发射升空的欧洲航天局（ESO）“盖亚”项目（Gaia，即第二个天体测量卫星），或许可以令这种古老的方式告别自己寒酸的过往。该卫星将在5年任务期间将测绘学银河系之内以及附近区域的10亿颗恒星，确定它们的亮度、光谱特征以及三维位置和运动情况。除此之外，三维星图还将帮助人们揭开银河系组分、起源与演化的秘密。
而据研究人员估计，“新”的天体测量学有望帮助他们找到数万颗新的系外行星。
方法二：利用狭义相对论
这是人类宇宙探索“技术库”里增添的一个新手段。作为新的研究方法，它指导天文学家们去关注恒星的亮度因行星运动而发生的变化——后者的引力作用引发相对论效应，导致组成光的光子以能量的形式“堆积”，并集中于恒星运动的方向。
其实，运用该方法来寻找行星，在理论上提出已逾10年。但直到最近，开普勒-76b（Kepler-76b）行星的发现，才算正式应用了这种方法。开普勒-76b是距离地球2000光年外天鹅座一颗质量大约是木星两倍的太阳系外行星，作为第一颗应用阿尔伯特·爱因斯坦的狭义相对论发现的系外行星，它得到一个别名：“爱因斯坦的行星”，这也使它变得声名远扬。
这一成果的真实性，随后已被径向速度法所证实。与其他已有的行星定位方法相比，“狭义相对论”法既有着自己的优势也存在一些不足，但它让人们相信，随着科学家对这一理论掌握得日臻成熟，会有更多此类发现不断出现。
方法三：脉冲星计时法
这种方法特别适用于发现围绕脉冲星运动的行星。所谓脉冲星，是由恒星衰亡后的残余形成的密度极高的星体。它在高速自转的同时，会发射出强烈脉冲——且由于一颗脉冲星的自转本质上是非常稳定的，所以这种辐射因为自转而非常规律。
脉冲星计时法最初并不是设计来检测行星的，但是因为它的灵敏度很高，所以能比其他方法能检测到更小的行星——但即使是最下限也要相当于地球质量的10倍。于是，人们开始借由在脉冲的电波辐射上观察到的时间异常，尝试追踪脉冲星的运动。换句话说，脉冲星具有的奇特秉性，让科学家们可以通过寻找脉冲星本应规律脉冲中的不规律现象，来发现行星的踪迹。
而在1992年，脉冲星计时法就帮助人类建立了一个里程碑——亚历山大·沃尔兹森和戴尔·弗雷使用这种方法发现了环绕着PSR 1257+12的行星。随后他们的发现很快就获得证实，现普遍认为，这就是人类在太阳系之外第一次确认发现的行星。
方法四：直接成像法
这种方法最大的特点，叫“不言自明”——用不着什么复杂的演算，只需使用功能强大的望远镜，直接给距离遥远的行星拍摄个“证件照”，一并还能取得其“行星护照”——上面包含了这颗行星光度、温度、大气和轨道信息。
直接成像原则上就是观察系外行星的最重要方式，但该方法要求行星的自身尺寸要足够巨大，与母恒星的距离还不能近到被其光芒所掩盖。这实际上也是对技术的巨大挑战，实现非常不易。日本国立天文台研究小组曾指出，所有人类迄今已在太阳系外至少确认的行星中，能直接确认其形态的还不到10颗，其中更多数都是推测出来的。
因而，也只有足够强大的望远镜装配的日冕仪，才能在观测中有效屏蔽掉附近恒星母星的耀眼光芒，从而保证“主角”形象的清晰。目前，掌握直接成像法的几位著名“摄影师”有：美国航空航天局的哈勃空间望远镜、夏威夷的凯克天文台以及欧洲南方天文台位于智利等几个地区的望远镜阵列。
方法五：重力微透镜法
重力微透镜法，是指科学家们从地球上观察巨大星体路经一颗恒星正面时发生的现象，进而寻找行星的方法。这是唯一有能力在普通的主序星周围检测出质量类似地球大小行星的方法。
该方法的原理在于，当这种现象发生时，附近星体的重力场会发生弯曲，并会如透镜一样放大目标恒星发出的光。由此便会产生一个光变曲线，即遥远恒星的光线随时间由亮渐衰。这一过程能够告诉天文学家们关于目标恒星的许多信息——如果该恒星拥有行星卫星，那么将会产生二级光变曲线。因而，一旦发现了二级光曲线，就可以证明行星的存在。
科学家第一次提出利用重力微透镜寻找系外行星的方法是在1991年，不过直到2002年，波兰的天文学家在光学重力透镜实验中发展出可行的方法后，其才获得成功。随后重力微透镜法开始为人类贡献出由它发现的行星。而这种方法在观察地球与银河中心之间的恒星时，最有可能获得成效，因为银河中心可以提供大量的背景恒星。
该方法自然也有它的缺陷——只有当两颗恒星几乎完全对齐时，才会产生这种效果。而恒星对齐的情况永远不会再次发生，因此这种方法不能重复。不过，与径向测速法等方法相比，重力微透镜法并不局限于发现轨道距离母星较远的行星，科学家们甚至可以使用它去寻找所谓的“游侠行星”，即那些没有归依、自由流浪于宇宙深处的行星。
方法六：视向速度法
这是到目前为止最具有成效地确认行星的方法。
径向速度法找寻的线索，是恒星母星相对地球发生远近运动时，卫星行星受其影响所产生的微小波动。变化虽然小，但使用现代的分光光度计已可以检测出低至1米/秒的速度变化。这种方法通常也叫做“多普勒 效应法”，因为它测量的，就是恒星的光受引力拖曳而产生的变化。
这种方法的成功与否从原理上讲与行星的距离无关，但由于需要高精度的高信噪比，因此通常适用于搜罗我们地球附近那些距离不超过160光年的恒星。而它的一个主要缺点，是不像其他方法那样在发现的同时展示出行星的“身份信息”——该方法只能估计行星的最低质量，其通常只是真实质量的20%左右。
另外，仅仅有径向速度法这一理论武器显然是不够的，科学家还需要利用到智利拉西拉天文台（隶属欧洲南方天文台）3.6米望远镜安装的高精度径向速度行星搜索器（HARPS），或是位于夏威夷的凯克天文台高分辨率阶梯光栅分光光度计（HIRES），再或是和前两者一样拥有非常复杂名字、却能代表目前最先进技术的天文设备们。时至今日，它们已帮助科学家发现了诸多系外行星。
方法七：凌日法
凌日法的基本原理，是观察恒星亮度在有行星横穿或路经其表面时发生的细微变化。它的好处是可以从光变曲线测定行星的大小。
这种现象只有在行星的轨道与观测的天文学家的观测点对齐时才能观测到，机会其实并不大。只不过当技术手段若能同时扫描成千上万乃至数十万颗恒星时，在如此大面积范围内，发生该现象的系外行星数量，理论上应该会超过径向速度法所得。
而如果一个由径向速度法发现的没有完整质量信息的行星，再用凌日法来加以佐证，那么天文学家就可以利用这种结合来评断行星的真实质量和密度，进而对行星的物理结构有更多的了解。但凌日法也并非占尽优势，这种检测方法的虚假率其实也很高，由凌日法所检测出来的“待定行星”，还通常需要通过径向速度法来复查。
美国航空航天局（NASA）的开普勒探测器自2009年3月升空以来，已经使用这一方法搜寻了2700多颗系外行星。其中，开普勒62f（Kepler-62f），一颗环绕天琴座恒星开普勒-62的太阳系外行星，就是以侦测行星通过恒星前方造成亮度下降的凌日法得以发现的。它被认为是很可能位于宜居带的一颗类地行星。
而除此之外，凌日法同样也可以帮助天文学家“扩大战果”——发现行星已知卫星外的其他潜在卫星。
分类
一般而言，我们根据行星的组成成分把行星分为类地行星、气态巨行星（气态巨星）和类海王星（冰巨星）三大类。三种类型的行星在质量半径对数曲线上各自近似线性相关，但三者之间有较为明显的区别。
地行星主要由岩石、金属、硅酸盐组成，拥有固体表面和类似的内部结构。其表面常带有构造和火山，内部都发生了分异，形成了核、幔、壳的圈层结构。
类木行星的成分与太阳类似，主要是氢和氦，且外表面的氢和氦以气体的形式存在。类木行星不一定拥有一个固态表面，其大气直接过渡到液体表面。气态巨行星一般有一个岩石或岩石冰组成的内核（甚至没有岩质内核） ，之外是氢氦中间层，散逸层是分子氢和氦。
类海王星与类木行星比较相似，但主要成分是冰物质（水，甲烷，氨等，即一些较重的元素，例如氧，碳，氮等），而不再是氢和氦。其内部可能有一个固态或液态的岩石-冰核，之外是冰幔（液态冰物质），外层是分子氢和氦但含有较多的冰物质。
特殊类别
超级地球
超级地球是迄今为止发现数量最多的系外行星，其质量在地球到海王星之间，典型的轨道周期小于100天。超级地球的定义仅跟系外行星质量相关，一般可能是类地行星或气态壳层包裹的岩石内核。而且即使是由岩石构成，也有可能是被星风剥蚀了气态壳层的内核。
对超级地球以及质量跟地球接近的类地系外行星而言，宜居性是一个绕不开的话题。所谓宜居带是恒星周围范围内允许液态水存在的区域。对于地球生命而言，充足的水分，适合的大气成分和大气厚度，适合的光照和温度等是生存和发展的必要条件。有的天体生物学家据此提出了所谓的“超宜居行星”（Superhabitable Planet），评选标准如下所示：
这些条件比较苛刻，而且很多条件难以探测，因而符合标准的系外行星少之又少。2015年发现的开普勒452b，被誉为“地球2.0”，其公转周期（385天）与地球类似，半径比地球大约60%，表面平均温度约-8℃，围绕一颗距离地球1400光年且与太阳光谱型（G2V型）一致的主序星转动。
热木星是一颗距离母星十分接近，质量接近木星的气态巨行星。通过掩星法和视向速度法，我们已经发现了成百上千颗的热木星。它们的质量一般在0.36-11.8个木星质量之间，公转周期在1.3-111天之间。大多数热木星的公转轨道偏心率较低，这可能是由于它们的轨道距恒星很近，受到恒星强大的潮汐摄动的影响。同样由于潮汐力的作用，热木星通常处于潮汐锁定状态，即永远以固定的一面朝向母星。对热木星的观测表面其拥有一个烟云密布的大气，其光学散射效果较强，有明显的垂直分层结构。由于距离母星很近，热木星的表面温度非常高。同时，来自恒星的星风将会剥离热木星的表层大气，使其质量不断损失。
热木星的发现对于行星的形成学说提出了严峻的挑战。根据以往的理论，像这种大质量的气态巨星只有可能形成于吸积盘中离母星较远的地方，那里才有充足的气体、尘埃和冰物质，能快速形成核心并不断吸积气体，形成气态巨星。主流对热木星成因的解释是迁移学说。该学说认为，热木星和其它气态巨星一样形成于霜线之外，但它在后期的演化过程中规带向内迁移到离恒星很近的地方，最终形成稳定的短周期轨道。另一种解释是热木星的形成与气态巨星无关，而是由超级地球吸积气体而成。
热海王星
热海王星是质量与海王星类似，距离母星十分接近的系外行星，通常含有以氢和氦为主的大量气体。和热木星一样，热海王星的形成也有两种：若是由轨道迁移而来，其内部将会拥有较多的冰物质；若是在当地直接形成，内部金属和耐高温物质会更多。 2004年发现，2007年确认的Gliese 436 b是首颗探测到的热海王星。对它的观测表明其大气正在被星风剥离，形成类似彗发结构的巨大氢云。
流浪行星（Rogue Planet ），又称星际行星（Iinterstellar Planet）, 自由漂浮行星（ Free-floating Planet）等，是一类不围绕任何恒星公转的行星，孤独地游荡在恒星际空间之中。它们很有可能是受其它天体的扰动而从原行星系统中被抛出的行星。
迄今我们探测流浪行星最行之有效的方法就是微引力透镜法。2011年，日本和新西兰的天文学家通过微引力透镜法估计银河系内的流浪行星数量或将是恒星数量的两倍，即2000多亿颗。但由于观测方法的偶然性，我们实际观测到的无家可归行星数量只有区区数十颗。
拍摄图像
天文学家于2008年首次拍到了太阳系外行星的直接图像，包括一个单行星系的可见光快照和一个多行星系统的红外线照片。类地行星可能就存在于这个三行星系统中，只是它们太暗根本就拍不了平常照片。
研究发现
加利福尼亚大学欧文分校的天文学家发现，系外行星有一条白天和夜晚的分界线，即所谓“终结者区域”，这里可能存在液态水，外星生命可能潜藏在此。
2023年，日本研究人员参与的一个国际团队在英国《自然》杂志上报告说，他们在距离太阳系约90光年的红矮星LP791-18周围发现了一颗与地球体积、质量都差不多的系外行星LP791-18d。这颗行星半径约为地球的1.03倍，公转周期为2.75天，受沿外侧相邻轨道公转的一颗体积和质量都更大的行星引力影响，LP791-18d的轨道呈椭圆形。这颗行星上可能有活跃的火山活动，可能拥有大气，能帮助人们探寻生命的起源。
2023年，一个国际天文学研究团队报告说，他们新发现了一颗太阳系外行星，围绕由两颗恒星组成的联星系统公转。这种“一仆二主”的环联星运转行星将帮助深入理解行星的诞生和演化。相关论文发表在英国《自然·天文学》杂志上。
参考资料
NASA发现10颗系外行星 6颗比木星还大.今日头条-中国青年网.2022-02-18
韦伯望远镜首次拍到系外行星直接图像.中新网.2022-09-04
韦布太空望远镜首次发现系外行星：距地球41光年，直径为地球99%.环球网.2023-01-16
科学家发现新类地行星Wolf 1069 b：距地球31光年，或存在液态水.今日头条-环球Tech.2023-02-05
人类发现系外行星的7种主要途径.人民网.2016-07-22
天文学家首次证明系外行星的“终结者区域”可能存在外星生命.今日头条-南方都市报.2023-03-21
科学家新发现一颗可能有火山活动的系外行星.今日头条-北京日报客户端.2023-05-22
（科技）天文学家新发现一颗绕双恒星运转的行星.今日头条-新华社.2023-06-14