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开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思

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开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思开普勒望远镜发现了数千颗太阳系外行星,还有数千颗有待进一步证实。这幅艺术想像图就描绘了开普勒-42,一个由3颗类似地球的行星构成的行星系统。图片来源:NASA/JPL-Caltech

艾麦乐/编译)这条消息很酷,真的:天文学家公布了一份太阳系外行星的新目录,收录了由开普勒望远镜发现的绕着其他恒星旋转的行星,总共包括2335颗已被证实行星,还有1700多颗有待证实。这其中有30颗地球大小的行星已被证实,在各自恒星的宜居带内公转,另外还有20多颗这样的行星等待证实!

这份新的名录增加了219颗新的行星备选者,其中有10颗大小与地球类似。

不过,科学上更有趣的消息是:天文学家发现,直径介于地球的1.5倍到2.5倍之间的行星,数量明显偏少。恒星似乎喜欢制造不到1.5倍地球直径的行星,然后就一下子跳到了2.5倍地球大小。这是为什么?又为什么在我们的太阳系里找不到这样的行星?

在讨论这个问题之前,我们先来介绍一些背景知识,这样你才能明白科学家在说些什么。

开普勒望远镜

开普勒望远镜是一座空间天文台,被设计用来紧盯着天空中的一块天区不放,持续监测其中大约150 000颗恒星的亮度。科学家的想法是:如果一颗恒星拥有行星,而且从地球上看过去行星的公转轨道侧对着我们的视线,那么只要这颗行星从恒星前方经过,遮挡住一部分星光,我们就将看见恒星亮度出现短时变暗的现象。这就好像一场微型日食,被称为凌星。

开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思开普勒望远镜通过持续不断地监测150 000颗恒星的亮度,来发现太阳系外的行星所产生的凌星现象。图片来源:NASA/JPL-Caltech

真正找到行星,还要花上一段时间才行,因为你不只要等行星发生凌星现象,还要等凌星现象一而再、再而三地发生。恒星亮度的单次短时变暗,可能源于各式各样的原因,比如恒星黑子(类似于太阳黑子,只不过出现在其他恒星上),或者视场中的其他恒星影响了亮度测量结果。第二次出现短时变暗,才有可能真是系外行星,而且或许透露了这颗行星上“一年”的时长(一次凌星后,行星绕着恒星转一整圈,再次发生凌星)。然而,只有等到第3次出现短时变暗,而且在时间间隔上跟前一次对应得上(换句话说,这颗系外行星又绕了恒星一圈),科学家才会有足够的信心。至此,你才能确信找到了一颗行星。

随着时间的推移,基于开普勒观测数据的系外行星目录也不断得到增补,这次发布的已经是第8版目录了。新的目录涵盖了开普勒任务头4年的数据,天文学家完成了对所有数据的重新处理,包括使用了第一版目录发布后才开发出来的新技术来重新梳理观测数据。

开普勒的数据中包含两方面的重要信息。一是短时变暗现象出现的周期,它能够告诉你这颗行星上“一年”有多长,由此可以得知它到恒星的距离。(开普勒望远镜得名于天文学家约翰内斯‧开普勒,是他指出了太阳系行星的公转周期与它们到太阳距离之间的数学关联,这一关联也能够推广应用到绕任何一颗恒星公转的行星上。)它还能告诉你这颗行星大概有多热!当然,你必须得知道距离,还要知道恒星的温度和大小。对于红矮星之类温度较低的恒星来说,就算一颗行星在比水星到太阳距离更近的轨道上绕它旋转,行星的表面温度仍有可能比地球更加凉爽。

另一方面的重要信息就是,星光被遮挡的比例。它能告诉你这颗行星有多大,假设你已经知道恒星大小的话,后者在大多数情况下都可以从其他计算中求出来。

几十亿颗地球!

天文学家梳理了全部数据,新发现了219颗可能存在的太阳系外行星(在被证实之前,它们被列为行星备选者)。这其中,又有10颗行星备选者,不只大小跟地球大致相当,环绕主星公转的距离也刚好让它们有可能温度适宜,天文学家把这样的地带称为宜居带。所谓温度适宜,大概相当于让液态水能够存在于行星表面所必须要达到的温度范围。这不是生命诞生的唯一要求,但起码是个不错的起点。

新的目录把宜居带内地球大小已知行星的总数提高到了30颗。

开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思只有公转轨道平面侧对着我们视线方向的行星,才会发生凌星现象。从统计上看,不发生凌星现象的行星,至少占到99%!图片来源:Greg Loughlin

这已经不少了。我知道,跟开普勒监测的150 000颗恒星比起来,30颗看起来并不多,但你还得考虑到——并非所有行星绕着恒星公转的轨道都刚好侧对着地球。大多数行星的公转轨道平面,跟我们的视线方向都有一个夹角,所以那些行星并不会遮挡恒星,我们也就监测不到凌星现象。从统计上说,这样的行星至少占到99%!因此,在开普勒盯住不放的这一小块天区当中,宜居带中地球大小的行星大概就有3000颗。

然而,这还不止。银河系里的恒星总数超过千亿颗。简单外推一下,这意味着银河系里类似的行星就有几十亿颗。

几十亿颗呀!

哇!

开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思开普勒-452b,一颗绕着其他恒星公转的类似地球的行星。根据开普勒望远镜的观测数据,银河系里这样的行星有几十亿颗之多。图片来源:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle

超级地球与迷你海王星

某样东西,在你只找到一个的时候,很难知道它应该归入哪一类。毕竟,你只有一个样本!打个比方,如果你在丛林里发现了一只古怪的蜥蜴,这很有趣,但也只能向你证明这样的蜥蜴是存在的。会有更大的吗?更小的呢?这样的蜥蜴有多少?它们吃什么,住在哪里,跟其他蜥蜴又有什么关系?这些问题你很难回答。

行星也是一样。找到一颗行星,很赞。太阳系外有行星存在!这可是一条大新闻。

然而,只有当我们找到更多、非常多、成千上万颗之多的行星时,科学研究才算得上是真正开始。确切来说,这正是太阳系外行星分类学的开启之时。

有了开普勒目录里的数千颗系外行星,一些趋势开始显现。木星那样的气态巨行星有不少,有些甚至比木星还要重得多。地球大小的行星显然也被发现了不少,还有许多行星比海王星小了那么一点点。

然而,新的目录显现出了一件非常古怪的事情。天文学家发现了许多大小跟地球差不多的行星,最大的能到地球直径的1.5倍。但是,如果个头再大一点,行星的数目便出现了突然下跌。然而,直径一旦超过地球的2倍再大一点,行星的数量又会重新回升。这个趋势在之前的数据中就有体现,现在随着新数据的加入,更大的行星样本已经足以证明,这不是一个假象。在统计上,这个空缺很显著,是真实的。

开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思太阳系外行星数量按大小分布的直方图:纵轴为每100颗恒星平均拥有的行星数,横轴则是行星相对于地球的大小。在1倍到两倍地球半径之间,行星的数目出现了一个明显的空缺。图中画出的两颗太阳系外行星,是空缺两端行星的典型代表。图片来源:NASA/Ames/Caltech/University of Hawaii (B. J. Fulton)

个头较小的这一边,我们称那些行星为超级地球,而在个头较大的那一边,我们称它为迷你海王星(海王星的直径大约是地球的4倍)。在超级地球和迷你海王星之间,出现了一条明显的鸿沟。这条鸿沟向我们透露了一些重要的事情,具体是什么还不清楚。不过,我们可以猜测。

行星形成于盘旋在新生恒星周围的物质圆盘,称为原行星盘。细节很复杂,但大体上就是小颗粒先形成,然后通过碰撞粘连在一起而越长越大。在数百万年的时间里,这些家伙成长到宽约1千米左右(我们称它们为星子),然后星子碰撞形成更大的原行星,宽约1000千米左右。

这些原形星成为了真正的类地行星的核心。如果原行星在长到地球大小时物质便耗尽了,它就会停止成长。但如果仍有物质供给,它就能长到更大。一旦成长到地球直径的大约1.5倍(这意味着它的质量将超过地球质量的3倍),它的引力就会变得足够强大,开始有能力吸附氢、氦之类更轻的气体。对于这颗年轻行星来说,这一刻堪称分水岭,因为它周围有大量这样的气体。它能够长到更大,“跳过那条鸿沟”,成长为一颗迷你海王星(至少会长到这么大;它还可能成长为一颗真正的气态巨行星,就像土星或者木星那样,但这类行星远不如迷你海王星那么普遍)。

至少,这是天文学家目前的观点。

开普勒公布更多行星,突显太阳系古怪异常 | 科学人 | 果壳网 科技有意思这幅手绘图描绘了行星之间的关系。所有行星都形成于原行星盘:有些长得足够大,成为了气态巨行星,其他一些则没能长大,比如我们的地球。然而,还有一些个头不大的行星长成了迷你海王星。这3类行星可以说泾渭分明。图片来源:NASA/Kepler/Caltech (T. Pyle)

太阳系大有古怪

事实上,从数量来看,迷你海王星是开普勒样本中最常见的一类行星,其次便是超级地球。然而,在我们自己的太阳系里,既没有超级地球,也没有迷你海王星。不知道什么原因,银河系里最常见的两类行星,太阳周围一颗都没有。

为什么我们的太阳系如此古怪?答案还不清楚。倒是有一些假说尝试回答,其中之一与木星有关。

在木星成长的过程中,它会与原行星盘相互作用,从盘中汲取物质的同时朝靠近太阳的方向迁移。在迁移的途中,它会搅乱所经之外原行星盘中的物质,任何正在那里形成的原行星都会在木星引力作用下相互碰撞到碎屑横飞。许多碎屑被甩出了内太阳系,残留下的那些后来形成了我们今天所见的类地行星。由于残留下来的物质较少,内太阳系中形成的第二代行星也就相对较小。再后来,与土星的引力相互作用又把木星拉了回去,形成了我们今天看到的太阳系。

这个假说未必正确,天文学家仍在着手厘清其中的细节!只是盯着我们自己的太阳系,很难知道它原本应该是什么样子。与其他行星系统进行比较和对照,是厘清我们太阳系神秘起源和成长阵痛的极佳方式。好消息是,我们现在已经有了大量其他的行星系统,可以拿来跟我们的太阳系作对比。

天文学最美妙的一个方面就在于:当我们遥望宇宙,注视和研究离我们数万亿个万亿千米以外的天体时,我们会发现我们对自己的家园有了更好的了解。

如果只用唯一的一条理由来支持科学研究,那么仅此一点就已经足够了。(编辑:Steed

编译来源

BadAstronomy,A PASSEL OF NEW PLANETS SHOWS OUR SOLAR SYSTEM IS VERY WEIRD, AND WE DON'T KNOW WHY


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