震驚！有些恆星可能有多達7顆宜居行星

2020-08-19 牧夫天文

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原作者：MATT WILLIAMS

翻譯：張宇辰

校對：王婧彧 王茸 張硯斌 楊伯順

審閱：牧夫校對組

美編：崔鬱

後臺：庫特莉亞芙卡 李子琦

大多數系外行星圍繞紅矮星旋轉，因為紅矮星數量最多。這是一幅對TRAPPIST-1系統所繪製的想像圖，視角是從靠近TRAPPIST-1f行星(圖片右側)的有利位置。

圖片來源：NASA/JPL-Caltech

最近的幾十年，科學家已經發現了超過4000顆系外行星。關於所發現的行星類型和它們的共同點，天文學家已經了解了很多。例如，他們已經更清楚地認識到宜居行星到底有多普遍（至少以我們的標準來看是這樣）。

事實證明，有相當多的行星可以維持生命的存在。這是一組天文學家和行星科學家得出的結論，他們進行了基於恆星分類的宜居帶大小的研究。在意識到宜居帶內部可以有很多行星穩定運行後，他們得出了結論：那些沒有木星那般大小的氣態巨星的星系，可以有多達7顆宜居行星！

TRAPPIST-1系統中的三顆行星TRAPPIST-1e， f，和g位於它們恆星的「宜居帶」

圖片來源：NASA/JPL

這項研究是由加州大學河濱分校(UC Riverside)的天體生物學教授史蒂芬·凱恩(Stephen Kane)所領導的。該研究的靈感來自凱恩自己對TRAPPIST-1恆星系統的研究。TRAPPIST-1是一顆M型紅矮星（恆星光譜分為O、B、A、F、G、K、M等類型。從左到右是恆星表面溫度逐漸降低的序列。O型星溫度最高,約40000K；M型星最低,約3000K），它有不少於7顆巖質行星(其中3顆的軌道在恆星的宜居帶範圍內)。這一發現，加上近年來在紅矮星附近發現的許多巖質行星，使得天文學家們開始思考：一顆恆星究竟能容納多少潛在的宜居行星。

「這讓我很想知道，一顆恆星可能擁有的可居住行星的最大數量是多少？以及為什麼我們的恆星只有一個可居住行星？」凱恩在加州大學河濱新聞的一篇報導中解釋道。「這不公平!」為了他們的研究，凱恩和他的同事們創建了一個模型系統，他們計算了不同光譜分類的恆星以及不同大小和軌道的行星。

恆星分類是一個關鍵的考慮因素，因為更大，更亮，更熱的（「早型」）恆星有更寬的宜居帶，而較小和較冷的恆星(如我們的太陽和紅矮星)的宜居帶要窄得多。他們的模型還包含了一種計算引力的算法，這有助於測試行星在數百萬年的時間裡如何影響彼此的軌道。

他們發現，與「晚型」恆星(如G、K和M型)相比，「早型」恆星(O或B，可能還有A型)更有可能有多顆行星在其更寬的宜居帶運行。事實上，他們發現有些恆星可能支持多達7顆巖質行星，而像太陽這樣的恆星可能支持6顆有液態水的行星。

對不同類型恆星的宜居帶範圍的藝術圖

圖片來源：NASA/Kepler Mission/Dana Berry

其中一個重要的因素是：這些行星的軌道更接近圓形，而不是橢圓或不規則的。這使得軌道系統更穩定，儘量減少了近距離接觸或碰撞的機會。凱恩解釋說，另一個條件是，恆星周圍沒有像木星那樣的巨大行星:

「如果超過7顆，兩顆行星就會彼此靠得太近，導致彼此的軌道不穩定。木星對我們太陽系的宜居性有很大影響，因為它質量大，擾亂了其他軌道。」

到目前為止，天文學家們只發現了少數幾顆在宜居帶中有多顆行星的恆星。其中一個是Beta Canum Venaticorum (Beta CVn)。凱恩和他的同事們發現了它，並將其作為他們研究的一個例子。這顆G型(類似太陽)恆星距離地球27.5光年，被認為是尋找地外生命的最佳候選恆星之一。

至今，還沒有在Beta CVn周圍發現系外行星，但是凱恩和他的同事們認為，這顆恆星周圍沒有木星般大小的行星是一個很好的跡象。這種離恆星更遠的大型行星更容易被探測到。探測方法包括凌星法、直接成像法，或視向速度法（請看文末的說明）。

這使它成為了一個進行後續研究「尋找在恆星宜居帶的多行星」的目標。展望未來，凱恩和他的同事們，還希望尋找其它的被清一色的較小行星環繞的恆星。下一代太空望遠鏡的部署，以及將要在未來幾年裡「開光」的地面天文臺的部署，將會有助於這些搜尋工作的開展。

比鄰星 b圍繞著離太陽系最近的恆星——紅矮星比鄰星旋轉的藝術想像圖

圖片來源：ESO/M. Kornmesser

隨著天文臺光學器件的升級和靈敏度的提高，以及新建立的系外行星化學的大氣模型，未來的研究將會從中受益。天文臺能夠從這些行星大氣反射的光中直接收集光譜，以此揭示它們的化學成分，並讓科學家們梳理出任何可能的生物痕跡。

正如凱恩所說，這項研究，不僅會幫助我們確定是否存在可供研究的生命，還能幫助我們理解地球是如何變得適宜居住的，以及它在未來可能發生的變化:「儘管我們知道地球在其歷史的大部分時間裡都是適宜居住的，但關於這些有利條件是如何隨著時間而演變以及這些變化背後的具體驅動因素等很多問題依然亟待研究。通過測量可能與我們演變路徑相似的系外行星的特性，我們可以預覽這顆行星的過去和未來——以及我們必須做些什麼來維持它的宜居性。」

這項研究鼓舞人心的地方是：它表明像我們地球這樣，只有一顆宜居行星圍繞恆星運行的系統，可能並非典型。類似的研究表明，可能存在一類「超宜居」行星，也可能存在超宜居系統。這不僅會使生命更容易被發現，也大大增加了高級智慧生命存在的可能性！

【知識補充】

系外行星的探測方法

01 凌星法

如果一顆行星從母恆星盤面的前方橫越時(凌星)，將可以觀察到恆星的視覺亮度會略微下降一些，這顆恆星變暗的程度取決於行星相對於恆星的大小。通過對這種輕微光變的探測，就可以推知系外行星的存在。


02 直接成像法

即直接給系外行星拍攝照片。但與恆星相比，來自行星的光線是極其微弱的，往往會淹沒在恆星發出的耀眼光芒中。所以一般來說，直接對行星進行拍照是很困難的。


03 視向速度法

該方法利用克卜勒效應，也被稱為都卜勒效應法。行星在圍繞恆星運行時會給恆星一個作用力，導致恆星在自己的小軌道上運行。這將導致恆星靠近或遠離地球速度的變化，即恆星相對於地球的徑向速度的變化。這個速度變化會使恆星所發出的光譜產生紅移和藍移。


Reference

https://www.universetoday.com/147294/some-stars-could-support-as-many-as-7-habitable-planets/

https://en.wikipedia.org/wiki/Methods_of_detecting_exoplanets#Transit_photometry

相關網站

https://exoplanets.nasa.gov

https://news.ucr.edu/articles/2020/07/31/surprising-number-exoplanets-could-host-life

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ab9ffe

科普不易，各位老爺賞點飯錢吧~

責任編輯：楊伯順

牧夫新媒體編輯部

『天文溼刻』 牧夫出品

Vikos峽谷上空的NEOWISE彗星

影像提供與版權: Constantine Emmanouilidi

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