天空繁星點點——還有系外行星!

在肉眼可見的數千顆恆星中,只有幾百顆已知擁有行星。但實際上這個數字可能遠高於此

Artist's illustration showing various possibilities for exoplanets

我們的星系充滿了各種各樣的行星,包括一些圍繞地球天空中最亮的恆星執行的行星。

我清楚地記得,我們曾經只知道宇宙中有九顆行星。

1992年的第一天就是這種情況,但僅僅一週後,一切都改變了。在那一年的1月9日,天文學家宣佈發現了首批系外行星——圍繞太陽以外的恆星執行的世界。這些新行星非常奇特,以至於很難理解它們如何深刻地改變了我們的宇宙背景:它們圍繞脈衝星執行,脈衝星是一顆快速旋轉、超高密度、城市大小的恆星殘骸,是一顆巨大的恆星作為超新星爆炸後留下的。雖然這非常有趣,但並不完全令人滿意。脈衝星是最不像太陽的恆星,而我們,作為無可救藥的以自我為中心的人類,更喜歡找到更像家的地方——圍繞更像我們太陽的恆星執行的行星。

然後,在1995年,天文學家宣佈他們發現了一顆:飛馬座51b,一顆木星大小的行星,圍繞一顆在大小、質量和年齡上與我們的太陽非常相似的恆星執行。


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飛馬座51的距離僅略超過50光年,是一顆肉眼可見的恆星。

它不容易被發現——星等為 5.5,您需要在黑暗的地點和無月的夜晚才能看到它——但這確實提出了一個有趣的問題:有多少肉眼可見的恆星擁有行星?正如我們將看到的,要明確回答這個問題出乎意料地具有挑戰性,因此讓我們稍微改述一下:有多少肉眼可見的恆星擁有我們已知的行星?

找到答案似乎易如反掌,因為您可以在諸如NASA 系外行星檔案之類的資料庫中查詢,該檔案提供了關於外星世界的寶藏般的資訊。在 NASA 的資料庫中搜索圍繞肉眼可見的恆星(即星等小於 6.0 的恆星)執行的行星,得出了一個非常具體的答案:183 顆。

然而,由於科學中沒有任何事情是那麼簡單明瞭的,所以事情並非如此簡單。例如,其中三顆行星仍然是官方未確認的,這使數量降至 180 顆。並且其中至少有 20 顆行星的質量大約是木星的 13 倍,木星是我們太陽系中最大和質量最大的行星。這意味著它們徘徊在被稱為褐矮星的物體的邊界,褐矮星比真正的行星更強壯,但沒有足夠的動力在其核心點燃核聚變成為真正的恆星。考慮到這一點,肉眼可見的恆星擁有已知系外行星的實際數量可能在 150 到 160 顆左右。

其中許多行星很容易看到,並且是天空中最亮的恆星之一。

這個樣本中最耀眼的是畢宿五,一顆距離地球 66 光年的恆星,標誌著金牛座的眼睛。它是一顆紅巨星,一顆曾經很像太陽的恆星,但由於核心的氫燃料耗盡,正開始膨脹和死亡。它的行星,畢宿五 b,是一顆氣體巨星,圍繞恆星執行的距離與火星繞太陽執行的距離大致相同。鑑於這顆恆星的光度是太陽的 400 多倍,畢宿五 b 正在被烤熟

北河三,雙子座頭部(另一顆是亮度幾乎相同的北河二)的雙星之一,是另一顆非常明亮的系外行星宿主。它距離我們 34 光年,比畢宿五更靠近地球,而且它也是一顆紅巨星。北河三的行星,北河三 b,是另一顆氣體巨星,它也正受到強烈恆星光的照射。

已知擁有行星的最近的肉眼可見恆星是天倉五,距離我們的世界僅 11.9 光年。它至少擁有四顆行星,質量範圍約為地球的二到四倍。這些行星被稱為超級地球——它們比地球更大更重,但可能仍然是類似於我們地球的岩石行星。其中一顆,天倉五 f,甚至在距離恆星合適的距離上執行,可能適合居住——在足夠廣泛的“宜居”定義下,是這樣的。

然而,關於這個列表最有趣的事情是沒有出現在列表上的恆星。最亮的畢宿五,也只是夜空中第 13 顆最亮的恆星。為什麼我們沒有在十幾個更亮的恆星周圍發現行星呢?

實際上有很多原因。其中一個原因是它們可能根本沒有行星。其中許多恆星很難觀測行星。例如,其中一些恆星本質上是變星,這意味著它們的亮度會波動,這可能會使系外行星調查變得混亂。五等星(不包括太陽)五車二至少是一個四星系統,四顆恆星彼此環繞執行。其中兩顆是古老的、演化過的恆星,就像畢宿五和北河三一樣,並且彼此靠得太近,以至於它們中的任何一顆都不太可能存在行星。也許一顆行星在更遠的地方繞兩者執行,但這尚未確定。

夜空中最亮的恆星天狼星沒有已確認的行星。這可能是因為它是一顆雙星,而且這兩顆恆星在輕微橢圓形的軌道上相互運動,這可能會破壞行星軌道的穩定性。其中一顆恆星很久以前就消亡了,吹走了它的外層,變成了一顆緻密而微小的白矮星。這樣的事件可能不會完全破壞行星系統,但也絕對不是什麼好事。雖然對天狼星系統中行星的搜尋已經排除了任何質量遠大於木星的行星,但質量較小的行星可能仍在等待發現。

在這個肉眼可見的系外行星“落選者”名單上的一個奇怪之處涉及到著名的恆星半人馬座阿爾法星。它實際上是一個三星系統,其中兩顆類太陽恆星彼此環繞執行,還有第三顆恆星,稱為比鄰星,距離更遠。這個名副其實的比鄰星是離我們太陽最近的恆星。儘管它很近,但它是一顆昏暗的燈泡,非常微弱,以至於需要一個像樣的望遠鏡才能看到。經過密集的搜尋,這兩顆更亮的恆星都沒有被證實擁有行星。然而,比鄰星擁有至少兩顆行星,並且強烈懷疑存在第三顆行星。因此,從某種意義上說,天空中最亮的星之一,也是離我們最近的星系,擁有行星,但它們圍繞執行的特定恆星是肉眼不可見的。雖然我不確定這是否符合我們的列表,但這仍然是一個很酷的情況。

鑑於大約有 9,000 顆肉眼可見的恆星,已知擁有行星的恆星所佔的比例出奇地小。然而,這很大程度上可能是因為我們如何找到行星。到目前為止,大多數行星都是透過凌星法發現的,當我們碰巧看到行星的軌道側對著我們時,這樣一來,行星每次公轉都會直接從恆星前方經過,併產生微型日食。我們從恆星看到的光量會少量下降,從而揭示行星的存在。

但正如這種碰運氣的觀測幾何形狀所暗示的那樣,從地球上看,大多數行星永遠不會凌星,這使得它們對於這種主力探測技術來說實際上是不可見的。因此,從統計學的角度來看,我們迄今為止的搜尋錯過了很大一部分現有行星。目前的估計是,實際存在的行星數量可能至少高出 10 倍。這一切有意義的結論是,星系中的大多數恆星可能都擁有行星。我們只是還沒有看到它們——至少沒有使用凌星法或任何其他各種方法,這些方法已將少量世界新增到我們的銀河系統計中。

下次您在晴朗的夜晚外出時,想想這一點。您看到的幾乎每一顆恆星都可能擁有行星。僅在銀河系中就可能存在數萬億顆行星。從能夠用兩隻手就能數清所有已知的行星,到對數千顆行星進行編目,再到假設存在數萬億顆行星,在過去的 30 年裡,我們在世界普查方面取得了令人難以置信的進步。

如果說有一個天文事實讓我的心跳加速,並充滿驚奇和喜悅,那很可能就是它。

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