银河系中有多少颗宜居行星?

subtitle 宇宙解码 03-31 13:34 跟贴 3 条

开普勒卫星是人类首颗探测系外类地行星的探测器,于2009年发射升空,2018年结束生命,其一生对银河系内近15万颗恒星进行了探测,随后一项新的NASA任务,苔丝2018年发射,接替开普勒正在继续寻找系外行星。 今天我们回顾下开普勒服役9年的成就,并且估计下我们银河系内有多少颗宜居行星?


开普勒寻找系外行星的方法

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开普勒望远镜一生只瞄准了天空的一块区域,其中包含了银河系中离我们最近的一个分支:密集的恒星区域。尽管开普勒只能在相对狭窄的天空中测量几千光年之外的恒星,但它指向的这片区域大约有15万颗恒星。

开普勒可以测量每个恒星个体的光总量,因此它可以测量恒星光度的可变性、振荡、爆发和其他恒星现象。但它真正寻找的是一个非常特别的恒星,其光度会变暗然后再变亮。这里说的可不是变星。


开普勒寻找这个信号的原因是,正常情况下一颗恒星会以特定的温度辐射能量,我们看到这颗恒星的光度是一定的,如果在我们的视线范围内,有一颗行星在恒星前面经过(凌日),那么这颗恒星就会逐渐变暗,在亮度降低几小时后,又会重新变亮,回到原来的亮度。

单次的凌日事件并不能说明什么,因为我们需要确保这不是某个星际物体在我们和这颗恒星之间穿过的“乌龙”事件。因此只有观察到同一物体的多次凌日现象,才能确保我们找到了一颗行星或是一颗发出信号的轨道天体。

对于每一颗发出这样信号的恒星,开普勒就得到了一个候选行星。


并不是所有的候选行星最终都会确认为行星!只是暂时候选!其中有一些双星系统,一颗恒星较暗也会造成光度变化,还有少数实际上是巨大的恒星黑子,而其他一些可能只是数据中的随机波动。

因此需要通过不同的望远镜和不同的方法来进行后续的确认,而不仅是通过凌日法,比如恒星摆动或直接对其成像。


最后的确认部分很难!在发现的7348颗候选行星中,只有979颗得到了确认。

这是否意味着我们看到的大部分都是误报?不是的!事实证明,确认这些行星需要大量的望远镜时间来进行观测,对于我们现有的望远镜来说,这是一项艰巨的任务。其中开普勒发现了2000多颗双星系统!我们完全相信,在4178颗未被拒绝的行星中,90%以上都是真正的行星。


在这些已被证实的行星中,有五颗特别有趣。为什么?因为它们都是地球大小的小行星(半径不超过地球的两倍),位于它们恒星的宜居区域。我们可以从行星凌日的光度变化和周期就能判断出一颗行星的大小及其轨道范围。

目前已经确认的系外行星数量

在2015年开普勒数据发布了1000颗已确认的行星(实际上是1004颗),还有另外三颗已确认的行星,它们的体积都不到地球的两倍,并且位于它们恒星的宜居带!

到2016年5月10日,开普勒任务已经核实了1284颗新行星。根据它们的大小,大约有550颗可能是岩石行星。其中九颗行星的轨道处在宜居带。


截至2019年12月4号,NASA行星档案已经发现4729个行星候选人,其中以确认的有4099颗行星。类地行星有161颗。


这意味着目前总共有161颗可能与地球相似的行星,它们围绕着自己的母恒星运行,表面可能存在液态水,并且可能存在生命。其中一个行星(Kepler-438b)只比地球大12%,每35.2天绕其(比太阳冷得多的,是一颗红矮星)恒星运行一周,可能是所有类地条件的最佳潜在候选者!

因此有了开普勒9年所做的一切,到其退役为止完成的任务,以及我们对恒星系统的总体了解,我们能从中得出什么结论?

我们能否能知道在银河系中有多少潜在的宜居行星?

首先我们需要考虑两件事,然后才能简单地从观察样本中得出结论,然后推断出银河系中的恒星总数。这两件事是:

如果开普勒有无限的时间和精度,它还能发现什么?

我们知道开普勒永远看不到什么?


第一个问题有很多固有的不确定性。


当我们观察开普勒望远镜的实际观测结果时,我们发现,它天生就偏向于发现以下几种类型的行星:

大行星,因为它们阻挡了更多母星的光,

还有小恒星,因为它们阻挡了母恒星更高比例的光,

行星轨道非常接近恒星本身,因为这样会更频繁地看到凌日现象。


我们对太阳系的形成进行了模拟时,我们发现其实大行星并不多,而小一点的行星占绝大多数,然而当我们观察开普勒的数据时,一旦小于地球两倍的大小,发现的比例就会越小。而行星越小也就越难发现。

因为这是开普勒所能看到的极限!开普勒跟其他任何仪器一样,它所能看到的变化的敏感度是有限的。如果一颗恒星,当它的前面有一颗行星经过时,它的亮度会降低1%,这是一个很容易检测到的变化。但如果这个变化是0.1%呢?0.01% ?0.001% ?

变化越小,检测就越困难。以像水星这样的行星为例,尽管它与母星非常接近,但这种变化太小了,开普勒望远镜无法捕捉到。


大多数类地行星也是如此。我们往往只能找到距离恒星足够近、多次绕恒星运行的岩石行星。由于开普勒“只”收集了大约几年的数据,这很可能意味着在类太阳恒星周围的宜居地带有许多行星,在我们观察它们的时间里,它们只穿过它们的恒星两到三次。这就是我们所能看到的一切,而我们认为那就是宜居带所在的地方!有很多行星我们根本看不到。


根据悲观的估计,在银河系中我们有64亿个潜在的宜居世界,而根据乐观的估计,我们有5万亿个潜在的宜居世界!后者的估计可能过于乐观,但是在我们的太阳系中,我们有两个,也许是三个(如果包括金星的话)行星处在宜居带。选择一个中庸的数字,让我们得出一个更合理、更现实的估计:仅在银河系中,有大约400亿到800亿颗潜在的宜居地球。

这只是将开普勒的发现推到整个银河系得出来的估计数字,在我们确定之前,还有很多科学工作要做。尽管如此,这也是一个惊人的进步,因为我们已经知道了外面的世界!一个改变地球在宇宙中位置的世界。

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