探測系外行星的不確定性，科學中的不確定性是一件好事？

科學中的不確定性是一件好事，因為科學模型是這樣運作的：觀察一個現象，然後形成一個關於為什麼會發生這種現象的假設，然後測試這個假設，這將導致產生一個新的假設等等。這個過程意味著你很難確切地知道一些事情。相反，科學家們努力理解他們的測量、模型和結論中的不確定性。換句話說，不確定性不是一種限制，而是可以幫助我們提高對自然世界的認識，並告訴我們接下來要問什麼問題。但這種對不確定性的安慰，並不總是轉化為科學發現的傳播方式。

特別是在社交媒體無處不在、記者和新聞辦公室周轉速度很快的情況下，一項科學發現的細微之處，甚至是主要局限，都很難傳達給公眾。因此，人們有可能(完全可以理解)產生這樣一種印象，即一項新發現比實際情況更有說服力。系外行星曾經被認為僅限於科幻小說的世界，現在已知有4000多個圍繞其他恆星運行的系外行星世界，而且這個數字還在不斷上升。最令人興奮的是，像NASA「苔絲號」這樣的衛星越來越有能力尋找更小的巖石系外行星。

包括那些可能與地球相似、甚至可能適合居住的行星。探測系外行星有幾種方法，被懷疑的系外行星被稱為「候選行星」，直到兩種或更多獨立的方法證實它們確實存在，兩種主要的技術是透射光度法和徑向速度法。凌日光度學包括通過望遠鏡(通常是一個非常強大的望遠鏡)觀察一顆遙遠的恆星，並觀察它的亮度是否變暗。如果是這樣，對這種變暗現象的一種解釋是，有一顆行星從恆星和地球上的觀測者之間穿過。如果一顆恆星看起來有規律地變暗，這是一個很好的間接證據，表明一顆行星在恆星前面交叉是罪魁禍首。

凌日光度法甚至可以通過測量行星對恆星的暗度來估算行星大小(因為較大行星比較小行星遮擋的光更多)。當然，要使這種方法奏效，系外行星軌道平面必須與地球觀測到的恆星相交。這顆行星必須足夠頻繁地圍繞它的恆星旋轉，以便我們能夠在合理的觀測時間內探測到它。例如，一顆行星繞一顆恆星一周的時間和冥王星繞太陽一周的時間一樣長，這是不太可能探測到的，即使它的軌道面與地球相接。徑向速度法尋找恆星旋轉過程中的微小擺動(通過恆星發出光的性質變化來測量)。

與凌日光度學的情況一樣，如果這種擺動有規律地發生，那麼就可以合理地得出這樣的結論：是軌道行星的引力拖曳造成。同樣，這種擺動需要頻繁地重複，這樣才有可能用望遠鏡捕捉到它。然而，徑向速度法相對於凌日光度法的一個主要優點是，從地球上的天文學家角度來看，行星不需要穿過它的恆星。想像一顆行星繞著它的恆星在一個相對於地球邊緣軌道上運行。從我們的角度來看，這顆行星在恆星中引起的擺動將是一個最大值：恆星向我們或遠離幅度最大（當然，這種運動的量確實很小，但仍然可以用現代望遠鏡測量）。

另一方面，如果這顆行星軌道在一個面朝上的平面上運行，也就是說，我們可以從有利的位置把整個軌道看作一個圓，那麼就不會看到任何抖動。所有對恆星的引力都在軌道平面上，恆星光的性質沒有變化，就無法探測到。但是，如果一顆行星軌道所在的平面對我們來說既不是邊緣也不是面朝上的呢？探測到的抖動是整個抖動的一部分，由於擺動的大小與繞軌道運行的行星質量有關，只能測量該行星質量的最小值。這很重要，因為質量等同於大小：質量小的行星比質量大的行星更有可能是巖石行星。

這就是多種探測方法都很有用的地方，因為如果凌日光度法可以測量行星的大小，徑向速度測量可以給出行星的質量，那麼就可以計算系外行星的密度。密度高的行星比密度低的行星更有可能由巖石構成，比如地球或金星。密度低的行星主要由氣體組成，比如海王星和天王星。但對於僅以徑向速度探測到的系外行星來說，不可能知道其測量到的質量值是否準確，因此這種行星的性質，無論是巖石還是氣體，都不確定。天文學家當然知道這一點，除非已知行星軌道相對地球的角度(比如利用凌日光度法)，否則用徑向速度法發現的系外行星質量是最小的。

這是一個充分認識到科學不確定性的例子。但對於不太熟悉系外行星是如何被發現的人來說，這種不確定性並不明顯。例如，歐洲南方天文臺宣布發現比鄰星(Proxima Centauri)運行的行星。這顆名為Proxima b的行星是用徑向速度法探測到，它的最小質量是地球的1.27倍，是一顆巖石行星。但是完全有可能Proxima b更大，甚至可能是一顆迷你海王星，迷你海王星看起來一點也不像地球這樣的巖石世界，但比鄰星b就存在這種不確定性。

博科園｜研究/來自：北卡羅來納州立大學/Paul Byrne

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