萬億世界

大資料統計已經揭示,除其他外,我們自己的太陽系有點古怪

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時代的確在變化。二十多年前,發現一顆新的系外行星總是被視為頭版新聞。近年來,一顆新發現的行星幾乎沒有被提及,只是在NASA的系外行星檔案中積累的數千個行星確認中增加了一個數據點。與許多領域的努力一樣,系外行星學正在向大資料領域過渡。

雖然這種情況可能會讓行星獵人在為他們的世界換取日益減少的讚譽時感到沮喪,但看到銀河系行星普查的精細統計資料揭開面紗卻令人興奮。毫不誇張地說,迄今為止發現的幾乎所有東西都令人驚訝。

回想起來,第一個系外行星系統是伽利略在1610年發現的,當時他將望遠鏡對準木星,並注意到木星的四個最大衛星的運動。木星的伽利略衛星(木衛一、木衛二、木衛三和木衛四)形成了一個緊湊的、幾乎完全共面的世界家族,它們在近圓軌道上執行,加起來約佔木星質量的萬分之二,並且軌道週期從短短的兩天(木衛一)到兩週以上(木衛四)。


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這種基本結構,由軌道週期的範圍以及衛星質量與行星質量的比率定義,在土星和天王星的衛星系統中得到了令人愉悅的複製。但是,它與太陽系的結構不相似,太陽系中最大的行星質量是太陽的千分之一,並且行星的軌道週期比大行星的衛星長得多。

令天文學家感到持久驚訝的是,現在很清楚,銀河系中的平均行星系統看起來更像木星的衛星,而不是太陽的行星。大約一半的附近恆星至少有一個(通常是幾個)質量遠大於地球且軌道週期從幾天到幾周的世界;在我們的系統中,微小的水星88天軌道內部的空間完全是空的。

緊湊、短週期行星系統普遍存在的最初跡象是在10年前出現的,來自位於智利拉西拉的HARPS攝譜儀的結果。HARPS採用了多普勒速度技術來檢測大量低質量行星。結果是如此出乎意料,以至於遭到懷疑。然而,當NASA的開普勒任務發現了數百個具有多個凌日超級地球大小行星的系統時,疑慮被消除了。

凌日技術和多普勒速度技術是互補的。前者測量行星的大小,後者感知其質量。然而,對於開普勒發現的許多小行星來說,很難用多普勒方法獲得準確的質量。訊號非常小,並且母恆星經常在光譜中產生令人困惑的噪聲。

幸運的是,軌道緊密的凌日行星通常會顯示出與發條式規律的偏差。行星之間引力的此起彼伏會導致凌日時間發生變化,透過分析偏差,通常可以計算出行星的質量和軌道細節。如果一個行星同時具有質量和大小的測量值,那麼就知道密度,這為了解行星的結構和組成提供了關鍵的見解。

現在已經存在超過一百顆質量低於地球質量30倍的行星的密度估計,結果的彙總令人眼花繚亂。簡而言之,行星密度遍佈地圖。如果您知道行星的半徑(但沒有其他資訊),那麼您幾乎沒有依據來猜測其質量。在大小範圍介於地球和海王星(其半徑是地球的四倍)之間的行星中,給定半徑處的質量範圍可能會變化超過10倍。這種巨大的變化表明,成分存在驚人的範圍,必須涵蓋從鐵製成的緻密世界到包含大量氫氣的蓬鬆球體。

然而,最近,系外行星密度圖引起的混亂開始消除。透過廣泛使用大型地面望遠鏡來更好地測量凌日行星母恆星的特性,特別是其半徑,清晰度正在顯現。準確瞭解恆星的大小可以直接改進其行星大小的把握。

現在很清楚,行星大小的分佈包含一個明顯的雙峰形狀。半徑約為地球1.75倍的行星明顯不如略大於地球的行星或半徑為地球2.5倍或更大的行星常見。這個行星“半徑間隙”正在告訴我們一些重要的事情。最有可能的是,它劃定了一個大致以地球大小的世界之間的相當明顯的過渡,這些世界本質上是陸地的,以及具有深層氫氦大氣層的行星,這些行星是天王星和海王星的更熱、更小的近親。

由蒙特利爾大學的博士後研究員勞倫·韋斯領導的一個團隊闡明瞭一個單獨的,甚至更耐人尋味的見解,他們確定了行星質量和大小的擴張存在一個奇怪的組織原則。特定系統的行星往往具有非常相似的大小(和質量),並且傾向於遵守幾何均勻的間距,很像豌豆莢中的豌豆排列。

雖然在太陽的行星中存在這種現象的暗示(地球和金星呈現一對均勻的組合,天王星和海王星也是如此),但在開普勒任務發現的系統中,這種現象更為明顯。這種奇怪的系統內均勻性的起源尚未完全清楚,它們為行星形成過程提供了一個有趣的約束。也就是說,必須存在一種機制來協調給定系統內行星的生長和間距,即使這些屬性在恆星之間差異很大。

天文學家即將大幅增加行星資料寶庫。NASA的TESS任務,開普勒的繼任者,於今年4月成功發射,目前正在監測恆星的凌日行星。在其為期兩年的主要任務中,TESS將調查整個天空,從大約200,000顆附近的明亮恆星的樣本中篩選出超過一千顆新的行星。

與此同時,大量新的高精度攝譜儀正在上線,用於進行多普勒速度測量。最近的一次會議展示了來自23個不同團隊的演示,其中許多團隊描述了已經正在採集資料的儀器(例如北半球的EXPRES和南半球的ESPRESSO),這些儀器將達到每秒釐米級的速度精度,這是探測地球軌道上類地行星所必需的。

銀河系包含超過一萬億顆行星。雖然我們離對這個龐大的人口進行全面統計還很遙遠,但分佈的輪廓以及它是如何形成的正在迅速進入我們的掌握之中。

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