科学家手把手教你如何探测“三体”行星
银河系约一半恒星处于双星系统中，图为双星系统，图片来源于百度贴吧宇宙中的恒星喜欢成群结对。我们的银河系中有三千多亿颗恒星，其中约一半恒星处于双星系统中。在引力作用下，聚在一起的恒星多于2颗而小于10颗的恒星系统称为“聚星”，三颗恒星在一起便是“三合星”，四颗星在一起是“四合星”，以此类推。如果因引力而聚集在一起的恒星数目超过10颗，该系统称为星团。在科幻小说《三体》中，三体人生活的环境变化多端，可谓冰火两重天，有时天上出现的两颗太阳将大地深深炙烤，有时则长时间处于黑暗冰冷状态。而在茫茫宇宙中，三体系统的存在是已经确认的。目前天文学家已经发现的系外行星已超过2300颗，而处于三合星系统中的系外行星个数近60颗。在这近60颗行星中，8月25日凌晨之前，天文学家所知道的、同时满足处于宜居带且质量与地球相当的行星不到5个。如今，数目再加1，增加的这颗行星竟然还是离我们最近的一颗系外行星，绕转在三合星中最不起眼的小不点恒星周围。这颗行星是如何探测到的？该发现有多可靠？它虽然处在宜居带，真的宜居吗？一般探测系外行星有哪些方法？未来，我们还有哪些探测计划？新发现：离我们最近的一颗系外行星，处于宜居带北京时间8月25日凌晨1点，欧洲南方天文台召开发布会，宣布了他们最新的一项发现：在除太阳之外距离我们最近的恒星比邻星周围，发现了一颗位于宜居带的类地行星候选体。该行星候选体质量约1.3倍地球质量，每11.2天绕转比邻星一圈。它距离主星700万千米，相当于0.05倍日地距离。该工作已发表在25日的《自然》杂志。4月份霍金在微博上公布的消息还历历在目：如果“突破摄星”计划顺利得以实施，人类将在几十年内有机会看到近距离拍摄的半人马座alpha星的照片。令人好奇的是，霍金在公布消息时，是否就知道了关于该发现的一些内幕消息呢？ 比邻星是除太阳之外距离我们最近的一颗恒星，就在4.22光年之外。有人说：“半人马座alpha是距离我们最近的恒星。”大家说这句话对吗？另外，比邻星就是半人马座alpha吗？显然，答案是不对，不是，这是很多人非常容易混淆的地方。半人马座alpha位于半人马座内，是一个三合星系统，中文名是“南门二”。根据亮度，将其三颗星命名成半人马座alpha星A、B和C，其中A星和B星是和太阳非常相似的恒星，并且是双星系统，可惜，肉眼无法分辨出来。而比邻星是该系统中的小不点C星，它是一颗红矮星。图1：半人马座alpha星系统与太阳的相对大小。图片来源于网络 图2：比邻星行星的艺术想象图。近处的这颗是行星，远处是它的主星比邻星，而比邻星和半人马座alpha星AB这个双星系统又构成了三合星系统。图片版权： ESO/M. Kornmesser如何探测系外行星？如何探索系外行星呢？常见的几种方法包括：直接成像法、掩星法、视向速度法和微引力透镜法等。而这颗行星候选体的发现是利用的什么方法呢？直接成像法直接成像法，顾名思义，就是直接对着行星系统拍照。你期待找到的是恒星旁边的行星，可是恒星太亮，你的眼中就只剩恒星的光芒，很难检测出行星的存在。一种解决方法是，想办法遮住恒星的光芒后，再拍照寻找行星存在的证据。这类方法探测到的系外行星数目不到100颗。图3：利用安装了涡状日冕仪（用于遮住恒星光芒）的海尔1.5米望远镜，用直接成像法发现的标号为HR8799的恒星周围的3颗行星。图片版权：NASA/JPL-Caltech/Palomar Observatory值得一提的是，日，《科学》杂志上发表的一篇文章宣布，基于直接成像法，天文学家利用欧南台的甚大望远镜（Very Large T VLT），在另一个三合星系统中发现了一颗行星，编号为HD131399Ab。这颗行星位于人马座（也就是生活中我们常说的射手座）中，距离地球340光年，质量是太阳系中最大行星木星的4倍。在这个三体系统中，B和C星相距约10倍日地距离，相互绕转；A星距离B、C星300倍日地距离。行星距离其主星A约80倍日地距离，在绕转过程中，行星有可能因距离主星太远，又受到另外两颗恒星的影响，运动轨道变得不稳定，甚至被抛出去。图4：利用欧南台的甚大望远镜的SPHERE成像仪拍摄的照片。本图片由两个独立的观测数据制作成，分别是对三合星的观测，以及遮挡A星后的直接成像。图片版权：ESO/K. Wagner et al.掩星法掩星法，是目前寻找到最多系外行星的方法。开普勒卫星只搜寻了天鹅座和天琴座内的一小块天区，工作量却高达十几万颗恒星。目前开普勒卫星已经找到了4706颗候选体，其中确认的系外行星有2327颗，但处于所谓“宜居带”且类地的系外行星，却只有个位数。掩星法基于的原理是什么呢？——恒星发光，行星不发光。当行星运动至视线方向上、处在恒星和观测者之间时，在移入视恒星面的过程中，恒星的视亮度会缓缓出现小幅度的下降；然后降至最低；随着行星慢慢移出视恒星面，相应地，恒星的视亮度会缓缓增加，恢复到恒星的本来视亮度。这种方法虽然比较高效，但也有局限性。如果行星的轨道运动不允许我们观测到它对恒星亮度的影响，比如当行星的轨道面刚好与我们的视线方向相垂直时，那么视线方向上，恒星的光不会被行星遮挡，任凭你多长时间地去监测恒星的亮度变化，也没有办法探测到行星的存在证据。视向速度法在介绍视向速度法之前，让我们先来举个例子。以我们地球和太阳为例，假设太阳系中就只有地球这一颗大行星。由于地球和太阳之间存在引力，地球和太阳相互绕转，鉴于太阳质量是地球的三百多万倍，因此两者绕转的中心就落在太阳里面了——如果将地球和太阳之间距离比作北京和上海的距离，那么太阳的直径相当于约10千米，而两者绕转的中心距离太阳中心约0.5米，远小于10千米，即绕转中心位于太阳内部。如此看来，可近似看成地球绕着太阳转。但更精确点说，地球并不是以太阳中心为中心来绕转，太阳和地球都是以太阳内某点为中心在绕转。从地球上，借助高精度的观测手段，我们也能发现太阳规律地朝向和远离我们运动。光谱技术的加入，让难解之题有了明朗的曙光，让速度在视线方向上的分量——视向速度有了天文的表达方式。具体就是将恒星发出的辐射分光，从而展示其在各个不同频率处的发光情况。在某些特征频率处，恒星光谱会出现吸收线。如果将吸收线对应的特征频率比作是吸收线发出的“声音”的话，它也可以被当做是恒星的“声音”，接下来就与声音的多普勒效应进行类比：当恒星朝向我们运动时，光谱向着频率更高处移动（蓝移），吸收线的声音会变得更尖锐；当恒星远离我们运动时，光谱向着频率更低处移动（红移），吸收线的声音会变得更低沉。根据吸收线的“声音”变化与否，或者说光谱的移动与否，可以判断该恒星周围是否有行星。这便是寻找系外行星的方法之一——视向速度法。但是，观测中之所以能看到恒星光谱出现蓝移或红移，不仅仅只有行星的引力，还可能是观测噪声和不连续的观测时间等造成的。如果行星质量比较小，比如与地球质量相当，其对恒星光谱的移动不明显，较难从微弱的信号中解读出小行星的存在与否。因此，这类方法寻找到大质量行星的准确率高达90%，而在小质量行星的搜索上表现不佳。另外，如果是单颗行星，该方法无法估计出行星的准确质量，仅能给出下限。在比邻星的这颗行星候选体被发现之前，曾有消息宣称，在半人马座alpha星中发现一颗行星，该行星也曾被号称是离我们最近的系外行星，只不过主星不是比邻星，而是半人马座alpha星B。让我们回到3年前——2012年，瑞士日内瓦天文台的科学团组在《自然》杂志发表文章宣布，他们在半人马座alpha星B周围，发现了一颗质量与地球相当的行星。该发现一经宣布，就像如今比邻星的行星被发现一样，引来了媒体的广泛关注。但有一些天文学家持质疑态度，认为这个科学团队可能过度解读了数据。2015年10月，来自于牛津大学的科学团队发表了一篇名为《时间序列里的幽灵》的文章，强调上述数据分析中可能出现过度解读。他们表示，从数据中看到的表明行星存在的特征很可能并非来源于行星。他们用计算机模拟构建了一系列虚拟的观测，假设有一颗没有行星的恒星，望远镜对它进行了不连续观测，然后基于这些模拟生成的观测数据，用2012年工作中的同样方法进行分析，他们也能得出与2012年工作类似的结论——存在一颗行星，而实际上模拟设置的条件就是不存在行星。据此，最初提出在三星系统中发现行星的第一作者也表示：确实，那颗行星有可能真的不存在。3年前同样爆炸性的发现被证明可能是对数据的过度解读，那这次发现呢？会不会有同样的可能呢？时间再回到现在。该行星候选体是如何被发现的？此次系外行星的发现，也是基于视向速度法。基于视向速度法，而被发现的存在行星的三体系统还包括Gliese 667C等。为此次比邻星行星的发现立下汗马功劳的，是一个被称作“暗淡红点”的计划。遥想1990年，旅行者1号在64亿千米之外，回眸一瞥，拍摄下地球的照片。在照片中，地球如此渺小，就像一颗暗淡蓝点。而比邻星是一颗红矮星，想象一下，它的行星沐浴在暗淡红光中，将搜索计划称作“暗淡红点”再合适不过。图5：上图展示了欧南台的3.5米望远镜，它安装的光谱仪——高精度视向速度行星搜索器（High Accuracy Radial velocity Planet S HARPS）是目前世界上最前沿的系外行星捕猎者。右下角是半人马座alpha星。下图：半人马座alpha星AB和比邻星。图片版权：Y. Beletsky (LCO)/ESO/ESA/NASA/M. Zamani来自于伦敦皇后玛丽大学的Guillem Anglada-Escude是该科研团队的领导，据他介绍，早在2013年，就有一些证据表明比邻星周围可能有一颗行星，但那时证据不够有力。随后，他们就努力获取更多的观测数据。“暗淡红点”计划筹划了近两年。欧南台位于智利的3.6米望远镜有一个HARPS光谱仪，它是个高精度光栅光谱仪，侦测的最低视向速度达1米/秒。日至3月31日，HARPS光谱仪每天晚上都会抽出20分钟来拍摄比邻星的光谱。综合暗淡红点的数据和早期的观测数据，他们发现，比邻星有时以每小时5千米的速度靠近地球，有时又以相似速度远离。视向速度规律性的变化周期为约11.2天。行星距离主星约700万千米，仅大致为日地距离的5%。根据轨道周期和视向速度的变化幅度，进一步分析估测出比邻星受到行星的引力影响幅度有多大，进而推算出行星的质量至少是1.3倍地球质量。但行星的精确质量还需要有其它的方法辅助，比如掩星法。 他们的结论有多可靠呢？Anglada-Escude表示，由于此前在半人马座alpha星系统中也曾发现行星存在的信号，但后来证实该信号很可能来源于数据的过度解读。因此，他们必须更严格对待这次发现，在排除了各项其它可能带来干扰的因素之后，才有信心下结论：我们确实看到了比邻星的行星。从论文标题也可以发现，尽管他们已经确信发现的是一颗行星，可他们还是谨慎地称之为“行星候选体”。他们的数据还显示，有可能还有第二颗行星存在，轨道周期约100至400天，只不过可确信度不如轨道周期11.2天的这颗行星，因此在文章中，他们并未提及第二颗行星。图6：从日算起，视向速度随着时间的变化。视向速度为正，表示朝向我们运动。图片版权：ESO/G. Anglada-Escudé这颗行星适宜居住吗？判断一颗行星是否宜居的重要依据，是液态水的存在与否。到主星的距离太近，即使有水，也会被蒸发殆尽；距主星太远，水会以冰的形式存在；惟有在距离适当的范围内，液态水才会安然待住。这适当距离范围就称为宜居带。宜居带的内侧和外侧到主星的距离，近似地与主星的发光本领（单位时间内发出的辐射能量）有关，主星发光本领强N倍，宜居带到主星的距离就远了根号N倍。由于本次发现类地行星的主星比邻星是一颗红矮星，质量约是太阳的1/8，发光本领是太阳的0.17%，而根据估算，太阳系中宜居带的范围约是0.99倍日地距离到1.688倍日地距离[2]，所以如果仅考虑发光本领的话，可以推测比邻星的宜居带范围是太阳宜居带范围的4%，即从0.040日地距离到0.068日地距离。而本次发现的行星候选体到比邻星的距离约0.05倍日地距离，尽管比水星到太阳的距离还要小很多，但就它自己所在的系统而言，它就落在宜居带内。这表明，它有可能表面温度适宜，允许液态水的存在。图7：宜居带的范围与恒星光度之间的关系示意图，图片来源于网络但情况并没有那么简单。距离主星如此近，高能辐射粒子对于大气和液态水存在的威胁不容小觑。据研究团组投至《天文学和天体物理》杂志的文章介绍，根据比邻星的辐射情况推测，比邻星的行星所接收的极紫外辐射是地球当前承受量的60多倍，X射线辐射则高达250多倍。考虑到地球在早期也接收到更多的高能辐射，自比邻星行星诞生以来的约50亿年间，行星承受的高能总辐射量约是地球的7到16倍。比邻星的这颗行星还是否宜居，答案尚不得而知。为了理论上探索该行星在何种情况下仍存有液态水和大气层，研究者们进一步构建复杂的3D模型。在假设该行星具有与地球相似的大气层，假设行星表面的水含量也与地球的表面含水量相当的情况下，他们发现，该行星的轨道性质会决定主星对其造成的潮汐作用以及该行星的自转模式的不同。假如轨道更接近圆形，行星就会被主星锁定，就像地球将月球锁定一样，公转1周的过程中自转1周，结果总是行星的同一面朝向主星，从而造成朝向主星的温度高达30多度，而背面温度则低至零下30多度，正面允许液态水的存在。如果轨道偏离圆形的程度高，行星的自转模式则更像水星，以3:2共振自转，即绕主星绕转3周的过程中，自转了2周。在后者情况下，在某些区域的温度能达到30度，也能维持液态水的存在。假设该行星具有与地球相似的大气层，假设行星表面的水含量也与地球的表面含水量相当，以上两个视频分别展示在1:1同步自转和3:2共振自转情形下，行星的表面温度分布。科学家们认为，该行星的自转、来自于主星的高能辐射以及行星的演化历史等，注定了其气候非常不同于地球。行星的自转轴与公转平面的夹角接近90度，表明该行星很可能就没有季节交替。而模拟计算过程中最大的不确定性因素是行星早期的水含量。地球表面的水含量是150亿亿吨，将它定义为一个“海洋”。参考太阳系内行星的形成和演化，计算显示该行星很可能在诞生之后的1亿年到2亿年期间，就蒸发损失了近1个海洋。随后发生了什么，就更加不确定了。有可能，行星能维持了其大部分的大气层，从而留住了行星表面尚存的液态水，提供了一个适宜生命的场所；但也有可能，水被蒸发，大气层消失，成了一个没有大气和水的地狱。既然两者皆有可能，那也就是说，它仍然可能是颗距离我们最近的宜居行星。究竟情况如何，还亟待后续的观测和理论研究。而这一发现也势必会引发下一轮观测热潮，现有的设备和下一代巨型望远镜也将以比邻星作为观测目标之一，观测探索其更多的细节。例如，若能看到行星运动至比邻星前方，使得比邻星发出的光通过行星大气，再抵达望远镜，那么就可以通过观测数据反推其大气成分，还可以帮助更准确地确定行星的质量。目前还没有证据表明，行星的运动轨迹允许我们做这样的观测，所以上述可能性还在探索中。（本文首发于科学大院，公号ID:kexuedayuan）
正文已结束，您可以按alt+4进行评论
相关搜索：
看过本文的人还看了
[责任编辑：chloexi]
热门搜索：
Copyright & 1998 - 2016 Tencent. All Rights Reserved本月，NASA宣布开普勒太空望远镜确认了1284颗系外行星。开普勒望远镜于2009年3月升空，是NASA的首个有潜力发现地球大小宜居行星的探测任务。在长达4年的时间里，开普勒监测着一小片天空中的15万颗恒星，持续测量每一颗恒星的亮度，从中寻找可能由凌星的行星产生的细微的亮度暂时变暗现象。（摘自果壳）特地说明一下，开普勒已经坏掉了，不过它还有大量的数据等待天文学家们的分析。开普勒太空望远镜特别擅长发现各种各样的“地球”，现在我们就来了解几颗。Kepler-10b于<span style=";font-family:Acolor:#11年确认的第一颗岩质系外行星。位于天龙座，距太阳系<span style=";font-family:Acolor:#0光年。长达<span style=";font-family:Acolor:#个月的观测资料辅以凯克天文台使用HIRSE的径向速度测量确认了开普勒-10b的存在。但你要别想住在上面，因为它的温度足以融化你的黄金，更何况你的路由器呢？Kepler-22b于<span style=";font-family:Acolor:#11年<span style=";font-family:Acolor:#月确认的首颗位于宜居带的系外行星。位于天琴座，距太阳系<span style=";font-family:Acolor:#0光年。它围绕一颗和太阳非常相似的恒星公转。不过它的质量有<span style=";font-family:Acolor:#.4倍地球质量，你可以尽情享受游完泳爬上岸时的负重感。Kepler-186f于<span style=";font-family:Acolor:#14年确认的第一颗在太阳以外恒星旁发现的适居带内半径与地球相若的系外行星，它绕着一颗红矮星公转。位于天鹅座，距离太阳系<span style=";font-family:Acolor:#2光年。不过，它的温度可能会偏低，也许你可以随时随地吃到雪糕呢?当然，是否如此还得看化学组成。Kepler-452b<span style=";font-family:Acolor:#15年<span style=";font-family:Acolor:#月确认，至今为止发现的最接近地球的“孪生星球”，有可能拥有大气层和流动水，一年大约<span style=";font-family:Acolor:#5天，绕一颗类太阳恒星公转，与地球相似指数为<span style=";font-family:Acolor:#.98。位于天鹅座，距离地球<span style=";font-family:Acolor:#00光年。很显然，人类需要冷冻复苏技术才有可能将文明的寿命跨越如此庞大的距离。&&& 综上，地球有盗版，正版却唯一。&比起系外行星，系内行星的天象更能得到广大群众者宠爱。<span style=";font-family:Acolor:#月<span style=";font-family:Acolor:#日，一场肾大的。。太阳长痣活动上演了。别逗了，那颗痣不就是水星嘛！然而，这次较为罕见的天象，坐在教室的小编我是不可能看得到的啦……三年后那一次，我还是看不到啦……十六年后，兴许我们都有机会在中国看到吧~&还有啊，近期发觉很多童鞋张大了吃惊的嘴巴问小编我：行星在夜空中是看得见的吗？我会不厌其烦地告诉你们，行星啊，是太阳宝宝的钻石哦，钻石是会反光的哦……扫描二维码关注我们哦~广东广雅中学星域天文社(gytianwenshe)　
　文章为作者独立观点，不代表大不六文章网立场
的最新文章
来到小白观星记第二期……
开启星空之旅！太阳已经在浩瀚无垠的宇宙中静静燃烧了50亿年，还有50亿年他将消耗殆尽，人类将何去何从……人类已经开始系外宜居行星的搜寻，这一期，就来介绍一下。初夏，壮丽的银河渐渐占领苍穹。伴随它升起的除了凄美 的神话故事，还有壮丽的星座——天蝎。我们头顶的星空依旧神秘，但相信会有那么一天，我们的智慧能让我们探索出无尽星河的真正奥秘。那么，我们对星空的了解又有了多大的进展呢？这一期就让我们来了解一下。4月的星空静如止水，没有重大的天象，彗星也转瞬即逝。声声清脆的琴音从深空中传来，让我们了解一下天琴座吧。来自深空的神秘能量——引力波，刷爆了全球的屏幕，这星期，就让我们看看什么是引力波吧时间在一点一点慢慢的流走，星空一天一天缓缓的变化。冬去春来，万物复苏，春天又到了。让我们抛开寒冷，躺在才能没马蹄的草坪上，欣赏春季星空吧~接着上一期，我们继续看看星域有哪些多姿多彩的活动吧gytianwenshe这里是广雅天文社的官方公众平台，即时推送最新天文时事与社团活动消息。热门文章最新文章gytianwenshe这里是广雅天文社的官方公众平台，即时推送最新天文时事与社团活动消息。为什么天文学家肯定系外行星普遍存在?
为什么天文学家肯定系外行星普遍存在?
长期以来，天文学家们一直猜想行星是恒星形成过程中与生俱来的副产品：可能除了质量最大的少数恒星，在各类恒星周围都有原行星盘环绕，形成恒星所剩余的盘中气体和尘埃造就了行星。现在来看，这一想法现在已得到坚实的证据支持。
宜居行星到处都是 可人类却在灭绝在地球
(出处: UFO中文网)
为什么说系外行星普遍存在？
系外行星是指，太阳系之外围绕其它恒星运行的行星。天文学家于2008年首次拍到了太阳系外行星的直接图像，到目前为止已经探明的系外行星数量已超过数千颗。因此，系外行星数量的激增远超乎科学家的预期。
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。历史上天文学家一般相信在太阳系以外存在着其它行星，然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至1990年代人类才首次确认系外行星的存在，而自2002年起每年都有超过20个新发现的系外行星。现时估计不少于10%类似太阳的恒星都有其行星。随着系外行星的发现便令人引伸到它们当中是否存在外星生命的问题。视向速度法和天体测量法相似，视向速度法同样利用了恒星在行星重力作用下在一条微小圆形轨道上移动这个事实，但是目标是测量恒星向著地球或离开地球的运动速度。根据多普勒效应，恒星的视向速度可以从恒星光谱线的移动推导出来。凌日法运用以上的方法可以估计系外行星的质量，而凌日法则可估计行星直径。当行星行经其母星和地球之间（即凌），则从地球可视的母星光度便会轻微下降。光度下降的程度和母星及行星的大小相关，例如在HD 209458光度便会下降1.7%。重力微透镜法重力微透镜是重力透镜现象的一种，是星体引力场导致远处另一星体的光线路径改变而造成类似透镜的放大效应，这现象只会当两个星体和地球几乎成一直线才会出现。因为地球和星体的相对位置不断改变，这种透镜事件只会维持数天至数周。在过去十年，已观测到超过一千次重力微透镜现象。探测系外行星的利器——“开普勒望远镜”（使用凌日法）开普勒太空望远镜（Kepler Mission）是美国国家航空航天局设计来发现环绕着其他恒星之类地行星的太空望远镜。使用NASA发展的太空光度计，预计将花3.5年的时间，在绕行太阳的轨道上，观测10万颗恒星的光度，检测是否有行星凌星的现象（以凌日的方法检测行星）。为了尊崇德国天文学家约翰内斯·开普勒，这个任务被称为开普勒太空望远镜。开普勒是NASA低成本的发现计划聚焦在科学上的任务。NASA的艾美斯研究中心是这个任务的主管机关，提供主要的研究人员并负责地面系统的开发、任务的执行和科学资料的分析。在经过数个月的努力后，美国航天局日宣布放弃修复“开普勒”太空望远镜。“开普勒”由此结束搜寻太阳系外类地行星的主要任务，但它仍可能被用于其他科研工作。
系外行星存在的普遍性远超科学家之前的预期！
人们正在以惊人的迅猛步伐不断发现系外行星。今年5月，当新闻界关注这一话题时，天文学家宣布总共已经确认了700多颗系外行星，此外美国宇航局（NASA）的开普勒空间望远镜还发现了超过3500颗可靠的系外行星候选体。“开普勒”望远镜最激动人心的成果之一，是在一颗类日恒星的宜居带中发现了一颗1.5倍地球直径的候选系外行星，这项空间任务还找到了另外数十颗可能的宜居行星。“开普勒”的大批量凌星行星观测系统已经飞速获取了很多新发现。它还首次发现了环双星系外行星——围绕两颗恒星运转的行星。欧洲的天文学家或许在环绕恒星半人马座αB的轨道上发现了一颗地球质量的行星，半人马座α是一个三重恒星系统，也是距离太阳最近的恒星（不过最近对这颗行星发生了争议）。除了这些具体的发现，利用“开普勒”等观测项目累积的数据，天文学家们正在接近关于银河系行星的一系列最重大问题的答案：它们的普遍性、性质，以及形成过程。下面就是对于其中部分最令人关心的问题目前可以做出的回答。在银河系中，行星存在的普遍性如何？长期以来，天文学家们一直猜想行星是恒星形成过程中与生俱来的副产品：可能除了质量最大的少数恒星，在各类恒星周围都有原行星盘环绕，形成恒星所剩余的盘中气体和尘埃造就了行星。这一想法现在已得到坚实的证据支持。有几项研究估量了银河系中行星存在的普遍程度。利用微引力透镜技术，系外行星搜索工作已经获取了行星数量的第一个有价值的估计结果：在银河系中，每颗太阳质量的单星平均拥有一至数颗行星，分布在平均距离为0.5至10天文单位（日地平均距离为1天文单位）的轨道上。根据“开普勒”在数据获取期的最初三年中的行星发现率，可以得出这样的结论，至少70%的类日恒星拥有轨道周期短于85天的行星。因为我们仍在继续分析“开普勒”在过去几年中得到的数据，而这一工作可能帮助我们找到轨道周期更长的行星，所以类日恒星的行星拥有率还会进一步上升。我们还希望获知一种最常见类型恒星——红矮星（M型恒星）的行星拥有率。这种低光度恒星的质量仅有太阳的5%至10%，但它们占银河系恒星总数的70%左右。尽管最近有人分析“开普勒”的数据后认为，银河系中的每颗M型矮星都至少有一颗行星，但是这一结论还需要更多观测数据的支持。不过看来在M型矮星周围，确实普遍地存在着系外行星。将所有观测结果综合起来，我们发现，平均每颗恒星应当至少有一颗行星。“开普勒”探测器和其它视向速度巡天项目已经发现了数十个多行星系统，然而拥有一颗以上行星的恒星究竟占多大比例，仍然是未知数。考虑到银河系至少有1000亿颗恒星，那么至少应有1000亿颗行星正在银河系中围绕恒星运转。行星真是无处不在！系外行星的质量、尺寸以及到寄主恒星距离的分布情况如何？目前，我们关于系外行星的知识主要来自于“开普勒”探测器、视向速度探测、微引力透镜巡天。“开普勒”已经观测了超过15万颗恒星，因而发现了足够多的系外行星，使我们有能力开始解答这一关键问题。“开普勒”发现，主序的G型和K型恒星（都与太阳类似）的行星拥有率是：17%拥有半径为地球的0.8至1.25倍、轨道周期短于85天的行星；25%拥有超级地球尺寸（1.25至2倍地球半径）、轨道周期小于250天的行星。“开普勒”的观测结果中周期小于50天的那部分可以通过视向速度观测方法来验证。幸运的是，微引力透镜巡天对于远离寄主恒星的系外行星非常敏感。这类研究已经发现，在0.5至10天文单位的轨道距离上，17%的恒星拥有0.3至10倍木星质量的行星。冷海王星（10至30倍地球质量）和超级地球（5至10倍地球质量）更为普遍：拥有这两类行星的恒星分别达52%和62%，但这些百分比数据仍然有很大的不确定性。随着不断地耐心积累系外行星的观测数据，我们现在可以有把握地认为，在银河系中，较小的行星的数量超过较大的行星。实际上，尺寸较小、质量较低的系外行星的出现率要远远高于较大行星。在类似太阳系的行星系统中，较小行星处于内侧而气态巨行星远离恒星，这种系统的普遍性如何？对这问题仍然没有确定的答案，因为探测到这种构造类似太阳系的行星系统极其困难。现阶段，我们暂时只能将“类太阳系系统”粗放地定义为拥有远距离巨行星的行星系统，因为“开普勒”极少在接近地球和金星的轨道距离上探测到严格意义的地球尺寸和金星尺寸的系外行星。微引力透镜巡天提供了有关这个问题的最新成果，这种方法能探测到远离寄主恒星的行星。约有20%的行星系统拥有两颗远距离巨行星，但是这一数据也有很大的不确定性。视向速度巡天已经辨别出了几颗木星质量的系外行星，它们在远离类日恒星5天文单位（木星的轨道距离）的轨道上运行，但是对于已观测的约3000颗恒星，详细的统计分析仍未完成。我们可以有根据地猜测，仅有1%至20%的行星系统可能在构造上类似于太阳系。大多数多行星系统是否轨道共面，就像太阳系的这些行星一样？对于大多数已知的系外行星系统，我们缺乏足够信息来回答这一问题。但是对于“开普勒”所发现的多行星系统，我们可以指出其行星是共面的，抑或相互之间不会掩食寄主恒星。通过一些非常巧妙的方法，天文学家已经发现，85%的“开普勒”多行星系统具有共面性，各轨道面集中在3°以内。另外几项视向速度观测也得出了类似结论：在多行星系统中，各成员间的相互倾角很低。这意味着，各行星都形成于同一个盘之中，后来也不曾经历过严重的外加引力扰动，因为引力扰动会增大相互间的轨道倾角。为什么许多系外行星与太阳系诸行星不同，其轨道是高度扁长的？在一些恒星周围，在行星形成过程的晚期阶段，存在着许多巨大的天体，以至于无法避免相互影响。这些行星会近距离遭遇，并导致相互驱离，结果是它们之间的强烈引力作用提高了轨道的偏心率（扁长程度）。在系统中，如果木星质量的巨行星没有其它可探测的同伴，则通常都具有高偏心率的轨道，这一事实有力地支持了上述图景。这些行星似乎都是驱离事件的幸存者，而另一颗或多颗行星则被抛入了行星际空间。多行星系统的成员一般都有着较低的轨道偏心率，意味着它们或许避免了惨烈的行星弹射游戏。几乎所有的热木星（在水星轨道距离的1/10至1/5以内的木星质量的行星）都有极低的轨道偏心率，这一点儿都不奇怪，因为在漫长的时间尺度上，它们与近旁的寄主恒星相互间的潮汐作用会使其轨道变得接近圆形。热木星的普遍性如何？它们怎样来到目前的近距轨道上？系外行星研究领域的开创与热木星有着莫大的关联。1995年发现了热木星飞马座51b，这是人类找到的第一颗围绕类日恒星运转的系外行星。热木星有着极为巨大的尺寸和质量，很可能在其寄主恒星前方造成凌星现象，因而很容易被凌星探测和视向速度探测所发现。除了屈指可数的几个例外，热木星都有着目前技术可以观测到的大气层。尽管热木星有着利于发现、便于后续研究的各种特征，但它们其实是一种很罕见的行星类型。统计研究指出，对于一颗类日恒星，热木星的出现率仅有0.5%至1%。天文学家不认为热木星是在目前位置上形成的，因为在原行星盘中，靠近恒星的地方并没有足够的物质材料。大多数热木星似乎形成于非常遥远的外围区域，后来内向迁移到目前位置。哪些物理过程将热木星推向或拉向内侧轨道？有两种机制最受关注，即盘迁移和驱离。在盘迁移中，盘物质与行星相互作用，吸收行星的角动量，使其缓慢地向内螺旋移动。在驱离过程中，行星受到另一颗行星或恒星伴星的引力作用而向内迁移。一个有趣的线索是，部分热木星有着非常奇异的轨道倾角，公转方向与恒星自转方向相反，或者沿极轨道运行。这些行星可能就是被驱离到目前位置上的。怎样解释系外行星系统的广泛多样性？行星形成过程起始于某种随机的情形，牵涉到很多不同的过程。例如，在原行星盘中会形成数量巨大的星子，而大自然并未注定其中哪一个最终会发展壮大，统治周围的空间。行星系统的多样性或许也在某种程度上反映了行星形成机制的多样性。大多数行星可能是通过“翻转机制”形成的，在这种机制里，一个岩质的核心吸积周围的物质。但是一部分气态巨行星则可能以“上下机制”形成——盘内的大量气体在引力作用下迅速塌缩，形成一颗木星质量的行星。系统的多样性也可能与不同原行星盘的质量有关，即使对于同一类型的恒星，盘的质量范围也有很大变化。例如，“开普勒”已经发现了几个不寻常的行星系统，其中有2至6颗行星在寄主恒星周围1天文单位以内运行。理论家们已经提出，这些紧凑系统中的行星就是在目前位置上，在原行星盘中形成的，而它们的盘则比原始太阳系的盘所包含的物质多得多。行星系统的多样性应该也受到了行星迁移机制的影响，行星会在盘中移动，最终来到与诞生时大不相同的轨道上。对于行星系统的构造而言，行星相互驱离以及行星与盘的相互作用，这两种机制哪个更重要？天文学家们仍争论不休。有多少“流浪行星”正在星际空间中不受恒星约束、自由自在地游荡？在银河系中，自由漂浮的行星可能与受恒星支配的行星数量相当：至少1000亿颗。在年轻的行星系统中，环境相当混乱、不稳定，行星（特别是低质量的）会被气态巨行星的强大引力作用驱逐出去。时至今日，对于这段远古的动力学混乱时期，我们还能看到一些余迹：大量行星沿着扁长的轨道运动，另一些的轨道则远离寄主恒星的赤道面。微引力透镜观测已经报道了大量自由漂浮的气态巨行星，并发现其数量几乎是典型恒星的两倍。这些发现的依据是，这些没有寄主恒星存在迹象的行星质量天体的微引力透镜效应，以及实测获得的恒星或行星导致的折射率、微引力透镜事件的概率及其发现率。不过，仍然存在这样一种可能性：微引力透镜法发现的行星与寄主恒星之间过于遥远（大于10天文单位），以至于无法探测到恒星的存在。但是我们已经获得了可靠证据，表明所发现的行星的确是自由漂浮的。如果大量恒星拥有木星质量的行星——这似乎就是真实情况——那么银河系中一定拥有大量被抛出的低质量行星，因为在形成中的行星系统里，较小的行星比气态巨行星更容易被抛出。在双星系统中，行星存在的普遍程度如何？“开普勒”探测器最近发现了至少6颗围绕双星运转的行星。项目科学家估计，约有1%的密近双星拥有一颗基本与双星共面的气态巨行星，这是一个至少有几百万成员的围绕双星运转的行星大家族。天文学家仍未找到环双星轨道上的较小行星，因此还没有这类系统的统计数据。此外，对于环绕双星系统的一颗单个恒星的行星，也没有可靠的统计，尽管视向速度巡天已经发现了多颗此类行星。未来能找到系外行星的卫星吗？发现系外气态巨行星的卫星是非常可能的，为此，“开普勒”项目再度提供了最乐观的信息。对行星施加引力作用，进而稍许改变其凌星的持续时间和发生时刻，行星周围的卫星就可能暴露自身的存在。天文学家们正在全面审视“开普勒”数据，以图发现卫星，但迄今为止，他们仅仅排除了7颗行星周围存在地球尺寸卫星的可能性，这些行星所在的系统都有多颗凌星行星。未来数年内，就会确定发现卫星的可能性有多大。如果系外气态巨行星拥有与木星辐射强度类似的辐射带，其卫星会不会适宜生命存在呢？一些天文学家对此很有兴趣。这种辐射可能对地表的生物过于残酷，但地下和海洋的生命则可以免受其害。在宜居带中存在地球尺寸的行星，这种情况的普遍性如何？这个问题价值6亿美元，因为“开普勒”探测器正是为此建造的。最新公布的“开普勒”数据中包括数十个位于恒星宜居带的系外行星候选体。尽管“开普勒”的观测工作可能已经结束，但科学家们仍将在今后若干年中继续分析其数据，因此，未来取得重大发现依然大有希望。近期的一项研究关注了M型矮星宜居带中的“开普勒”行星，它发现每颗恒星拥有这样的地球尺寸行星的概率是0.015（每67颗恒星中就有1颗如此）。科学家们进一步推断，位于一颗低温恒星的宜居带中、地球尺寸的最近的凌星系外行星应当在95光年的范围内，而最近的宜居带非凌星系外行星则应在23光年以内。视向速度观测已经在数千光年的范围内辨别出了大约6颗潜在的宜居带行星。但是宜居带行星候选体的质量很低，视向速度信号非常微弱，因此其中有许多可能都将遭到否定。对于低质量行星的视向速度观测，科学家们可能已经接近了它的技术极限。我们将不得不经常面对复杂的数据分析工作给出的模棱两可的系外行星探测结果，因为数据分析是在一片嘈杂声中榨取一丁点儿微弱的信号。或者必须找到一条新途径，去建造一系列巨型地基望远镜，以收集更多的信号。令问题更复杂的是，如何界定宜居带的问题仍未被解决。我们现在意识到，宜居带比过去预期的更加宽广，而且它很可能是针对不同行星而变化的。例如，我们从地球上得到的经验是，温室气体的作用非常强大，二氧化碳的含量只要增加百万分之几十，就会导致巨大的气候问题。超级地球可能有着比地球更厚重的大气，并伴随着强烈的温室效应带来的升温。一些超级地球可能有富氢的大气，而在某些情况下，分子氢可能是非常强的温室气体——它能导致远离寄主恒星的行星升温。由于温室气体的升温效应，实际的宜居带可能是随着每颗具体的行星而改变的，对于类日恒星，其范围在0.5至10天文单位之间大幅变化。生命行星的普遍性如何？由于地球是目前唯一已知的生命行星样本，因而迄今我们仍然缺乏数据，还不能给出这个深刻问题的答案，尽管“开普勒”探测器发现较小行星在宇宙中极其普遍，让我们有理由对此感到乐观。生命的原料——有机分子——也已经在恒星际空间中被发现，这一事实也令人振奋。在银河系中至少有1000亿颗恒星，而在可观测宇宙中有着超过1000亿个星系，因此肯定在某处有地外生命存在。实际上我们是在期望，在太阳周围30光年以内有生命行星存在，这样，未来的望远镜就可以研究它们的大气，帮助我们推测出一些外星生物学知识。迄今所发现的系外行星给我们的最大启示是什么？天文学家已经发现了许多系外行星，它们覆盖了可探测到的全部质量、尺寸、轨道和系统结构。行星形成涉及到一些随机过程，行星可以从诞生时的初始轨道发生迁移。我们已经了解到，在物理学和化学法则的允许范围内，对于系外行星，一切皆有可能。继“开普勒”任务之后，NASA和ESA的后续计划是什么？经过一番激烈竞争，一项系外行星观测任务被纳入了NASA的“探索者计划”，并获得了2亿美元的投资额度。在天体物理学类别中，有两项候选任务得到了认真考虑，而NASA选择了TESS，即“凌星系外行星卫星”。该项目将进行全天巡天以搜索环绕明亮恒星运转的凌星超级地球，由我在麻省理工学院的同事George Ricker领导。计划发射时间是2017年。欧洲空间局（ESA）也选择了一项将于2017年升空的凌星行星搜索望远镜——CHEOPS（系外行星特征卫星）。它将对高亮度恒星采用高精度测光技术，在已被视向速度观测所发现的行星中搜索未知的凌星行星。ESA还将审查EChO（系外行星特征天文台）项目，它是一台设计用于研究系外行星大气的空间望远镜。近期，NASA宣布将审查两架不同空间望远镜的概念设计，它们都能够直接拍摄系外行星。这些任务将获得10亿美元以下的投资额度，尽管目前预算紧张，但它们有可能在下个十年中完工。人们终将拍摄地球尺寸的系外行星，并获取其光谱，以找寻生命活动的标志性气体的信号，在为这一雄心壮志研发关键技术的同时，上述项目将首先拍摄大型系外行星。业余天文学家可以提供哪些帮助？通过筛查数据和进行望远镜观测，业余爱好者可以为搜寻系外行星提供帮助。只需一台计算机和互联网，全世界有25万名爱好者正通过Planethunters.org网站，从“开普勒”项目的公开数据中寻找凌星现象。这些公众科学家已经发现了20颗有希望的候选系外行星，并有1颗已获得确认。利用配备CCD相机的小型望远镜，业余爱好者也可以帮助搜寻凌星系外行星和微引力透镜行星。对于凌星观测，最佳策略是监视那些已知有系外行星存在，但不清楚其是否为凌星行星的恒星。尽管一颗行星凌星的可能性很低，但是明亮恒星周围的每一颗凌星行星都具有很高的科学价值，值得我们对所有这些行星都展开后续的凌星观测。下面两个网址开列了它们的凌星时刻，并讨论了所需装备和软件：http：//transitsearch.org和http：//brucegary.net/book_EOA/x.htm因为只能在夜晚观测，业余爱好者可以填补专业天文学家无法覆盖的地面经度区域，帮助进行微引力透镜观测。来自爱好者的支持可以实现微引力透镜行星事件的连续监视，这种事件的持续进程是以半天的间隔度量的。要获得质量、轨道距离等重要的行星参数，连续观测是不可或缺的。什么样的恒星最可能拥有行星？研究表明，重元素含量高的恒星最可能拥有巨行星。一个强有力的证据是，绝大多数木星质量的行星都是通过在岩质核心周围吸积气体而形成的。而较小的行星则在重元素丰度变化很大的各类恒星周围都有发现。
发表评论：
馆藏&77412
TA的最新馆藏}