外行星的豐富性正在改變我們的宇宙

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近處和遠處的地球大小的行星 (NASA/Ames/JPL-Caltech)

宜居帶中的行星,繞雙恆星執行的行星,微型太陽系,流浪行星,行星,行星,行星。 如果您要從最近湧現的大量令人難以置信的系外行星發現中提取一條資訊,那就是:我們的宇宙以非凡的效率製造行星——如果行星可以在某個地方形成,它們就會形成。

我們已經逐漸認識到這個事實一段時間了,但承認這一點仍然是一件了不起的事情。 十到十五年前,當首次系外行星探測開始出現時,我們瞭解到我們所看到的可能只是冰山一角。 這些都是巨大的天體(木星大小或更大),而且它們中的大多數都比我們太陽系中任何相當的巨行星更靠近它們的母恆星執行——因此有了今天仍然使用的“熱木星”這個稱呼。 隨著統計資料的改進,我們對探測技術如何偏向於發現這類行星(由於它們對母恆星更大的引力影響)的理解也得到了提高,並且估計表明只有百分之幾的正常恆星擁有這樣的世界。


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系外行星質量估計值與發現年份的圖表(根據線上系外行星百科全書生成,感謝 Jean Schneider)。 1989 年顯示的物體被稱為 HD 114762b,其真實的發現日期和行星分類仍存在一些爭議,因為它實際上可能超過木星質量的 100 倍,但它仍然存在於這個系外行星資料的線上彙編中。

當然,隨著時間的推移,天文儀器不斷改進,積累了越來越多的資料,並且發現了軌道週期更長和質量更小的行星。 左側的圖表說明了已確認系外行星的行星質量(或行星質量下限)範圍隨發現年份的變化(不包括來自 NASA 開普勒任務的數千個待確認候選者)。 在 2012 年,我們正在真正地深入到地球大小的行星領域(在這個尺度上約為木星質量的 0.003 倍)。

到 2010 年,引力微透鏡對行星的搜尋表明,大型軌道上的海王星大小的天體至少比距其母恆星相似距離的木星大小的行星常見 3 倍。 緊隨這些測量之後,新的多普勒或“擺動”系外行星探測表明,至少四分之一的正常恆星應該擁有地球大小的行星,其軌道半徑約為地球到太陽距離的四分之一(0.25 天文單位)。

越來越明顯的是,行星可能非常豐富。 進入 2011 年,NASA 開普勒任務的首批重大成果開始引起轟動。 隨之而來的是統計推論,即在地球-太陽距離的 1/2 (0.5 天文單位) 以內執行的最多的行星型別是海王星大小的世界,發生頻率約為 17%(即約每 6 顆恆星中有 1 顆)。 緊隨其後的是地球大小的天體,約佔所有系統的 6%。 稍加推斷,並假設銀河系中有 2000 億顆正常恆星,很明顯,在整個星系中,其恆星母體的宜居帶中可能存在數百萬個地球大小的世界。

但事情才剛剛開始升溫。 接下來是來自引力微透鏡調查的另一項統計推論,現在表明存在大量的“流浪”行星——巨大的世界,可能是由於與其他行星雛鳥的強引力相互作用而從其恆星巢中噴射出來的。 結論是,自由漂浮、遊蕩的天體,與木星一樣大或更大的天體,在我們星系中超過恆星的數量幾乎達到 2 比 1。 這是一個了不起的結果,但是那些完全被其母恆星掌握的行星,相當於我們自己的太陽系的行星呢?

最近,Cassan 等人對微透鏡的最新分析發表在《自然》雜誌上,該分析明確針對距其母恆星約 0.5 到 10 天文單位之間執行的行星。 結果鞏固並推進了之前的所有測量結果。 大約 17% 的恆星(上下浮動幾個百分點)擁有木星質量的行星,約 52% 的恆星周圍存在冷海王星,約 62% 的恆星周圍存在超級地球(質量是地球的 5 到 10 倍)。 即使這些估計值存在相當大的誤差(高達 20-30%),這些數字仍然令人震驚——銀河系中每顆恆星至少有 1.6 顆行星在 0.5 到 10 天文單位的範圍內執行。 將此與多普勒巡天資料(25% 的恆星在 0.25 天文單位範圍內擁有“地球大小”的行星)、開普勒資料(17% 的恆星在 0.5 天文單位範圍內擁有“海王星”)以及銀河系中每顆恆星 2 顆流浪巨行星的微透鏡估計值結合起來,您就會得到,嗯,您會得到非常多的行星。

當然,在彙總這些數字時必須小心。 不同的探測方法和調查有不同的偏差,如果(例如)一顆巨行星在其恆星 0.5 天文單位處執行,那麼動力學穩定性可能會排除附近存在其他世界的可能性。 儘管如此,我認為,最重要的是,非常清楚; 行星確實無處不在,它們在銀河系中的數量肯定達到數千億。

行星上輝煌的化學和能量通量的結果 (L. Topinka, USGS)

儘管我們發現自己身處一個小的岩石世界,但沒有理由相信宇宙會像現在看起來這樣有效地製造行星。 我們的情況僅僅是一個數據點,而且是一個非常糟糕的事後偏差資料點,坦率地說,我們的行星形成模型正努力跟上湧入的新資料。 儘管如此,從天體生物學和在其他地方尋找生命的觀點來看,行星天體仍然是主要且關鍵的目標。 宇宙中根本沒有其他環境能夠提供在物質的多個相中進行多樣化和複雜化學反應的相同潛力,以及長期平衡的潛力(儘管是一種動態平衡,能量和化學物質都處於零星和週期性通量中)。

因此,行星的巨大豐富性深刻地影響了我們探索宇宙的性質以及我們尋求理解我們自身重要性或微不足道性的探索。 行星豐富性的發現絕非微不足道,因為這意味著我們終於站在了即將看到兩千五百年前的陳述是否正確的風口浪尖。

“認為地球是無限空間中唯一有人居住的世界,就像斷言在整片小米田中,只會長出一粒米一樣荒謬”

- 麥特羅多羅斯 (公元前四世紀)

想到自從這些話被寫下來以來我們已經走了多遠,真是令人驚歎。

(哦,至於衛星,好吧,甚至不要開始考慮這個問題。 我們的太陽系攜帶超過 160 個天然衛星,所以衛星可能最終會成為所有行星型別天體中最多的……)

 

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