克卜勒太空望遠鏡觀測到的巨型外行星多半都是假陽性的

2020-12-02 天文在線

當你抬頭仰望天空中閃耀的恆星的時候,你也許會期望他們與我們的太陽並沒有太大的不同。在許多方面確實是這樣,他們通過燃燒內核的核燃料來釋放巨大的光和熱,從而使得它們穿過許多光年抵達我們的眼中。但是我們的另一項期望——它們擁有的行星和類太陽系與我們的沒有太大的不同——則需要費一番功夫去驗證。

圖片出處:美國國家航空航天局 埃姆斯/加州理工學院噴氣推進實驗室

對於天文學家來說,恆星是比較容易捕獲的,因為它們很明亮,它們的光可以被分解成單獨的波長。並且我們可以很容易地確定它們各自的速度,質量,大小,甚至年齡。但是行星則完全不同了。除了那些距離恆星最近的,最大的以及離得最遠的行星之外,我們現在的技術完全不足以直接認識這些行星。因此,我們只好依賴於間接的技術,這也就是克卜勒太空望遠鏡發揮作用的領域了。

圖片出處:美國國家航空航天局補充的由喬恩·羅姆伯格所繪製的克卜勒任務圖示

我們最能幹的行星探索衛星克卜勒,在距離地球幾千光年的範圍內探測到了十五萬顆恆星,並且正在尋找行星過境現象。當一顆行星從一顆恆星面前穿過的時候,這顆恆星的一部分光芒就會被這顆過境的行星所阻擋。即使這顆行星的溫度足夠高以至於可以散發出自己的光芒,但是它的溫度卻遠比它所過境的的恆星低。這個事實意味著恆星的光芒,正如我們所見,只是暫時的減弱。這種光芒的短暫減弱取決於行星過境的速度,恆星會很快就恢復它原來顯而易見的光芒。

圖片出處:美國國家航空航天局克卜勒任務首席研究員,威廉·博呂基/2010

但是僅僅觀測到了這種過境現象並不意味著我們就找到了一顆行星!因為除了我們認知範圍內的繞軌道運行的行星之外還有很多天體也會引起這種現象。穿過我們銀河系的過境物體有很多,比如流浪行星,一個附近的(類太陽系)物體,又或者是星際空間中另一顆正在冷卻的恆星。

還有可能是一對彼此遮蔽的雙子星,即同一類太陽系內部一顆恆星在經過另一顆面前時變暗。

又或者是一顆褐矮星(一種未能成為恆星的放射出氘氣的天體)。這種矮星將會比主星變得更暗,但是仍然能夠在其面前過境,過境時所引起的恆星亮度變暗情況和我們所觀測到的行星的情況是一樣的。

為了排除掉第一種可能性,克卜勒需要對同樣量級和同一持續周期內的過境進行多次觀測。但是排出其他兩種可能性則需要獨立的方法。

圖片出處:歐洲南方天文臺

特別是,要弄清楚這一情況的最簡易方法是測量天體的質量,我們可以採取和已知的「恆星擺動法」不同的方法。行星並不知識簡單地環繞它們的母星運轉,行星也會對這些恆星施加一種相等的和相反的引力,從而使得恆星在其軌道中小範圍旋轉。當一顆恆星靠近我們的時候,它所發射出的光會輕微地變藍。相反,當恆星遠離我們的時候,它所發射出的光會輕微地變紅。通過探尋這種「紅-藍-紅-藍」模式,我們可以測量一顆星體的質量,並確定它是恆星,褐矮星還是僅僅是一顆巨大的行星。

圖片出處:歐洲南方天文臺/M. 科恩梅塞/尼克·基辛格

昨天,由亞歷山大·桑泰恩領導的國際小組發表了多項他們在天體物理與空間科學研究所觀測的結果,他們五年間在這裡測量了129顆由克卜勒太空望遠鏡發現的相關天體。他們做了分光鏡分析,研究了來恆星發出的光的各自的波長,並預計假陽性率約為10%到20%,這是大多數科學家所估計的。

但是事實上他們發現這其中有超過一半以上(52%)是彼此遮蔽的雙子星,還有三顆是褐色矮星。

圖片來源:亞歷山大·桑泰恩等,2015

這確實很麻煩!當我們觀察我們的太陽系的時候,即使是最裡面的行星——微小的水星——也需要88天的時間來繞太陽運轉。但是有如此多的巨大的行星,或褐色矮星,甚至是恆星,他們到主星的距離幾乎是水星到太陽的距離的十倍!就像桑恩泰所說的:

在對想像木星一樣大的其他行星環繞他們的「太陽」進行了二十年的探索後,我們仍然有很多問題等待去解答。比如說:我們不知道像木星一樣大的行星的軌道周期卻只有幾天的物理機制是什麼。這就好比我們每年繞日的周期僅有幾天,在這種情況下想像你的年齡!

但是或許最令人驚訝的是這些被認為是行星的大多數根本不是行星!就其本身而言是巨大的恆星(或約等於恆星)。或許,像我們這樣在太陽系中只有一顆恆星才是怪事吧。

參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. 雨·蝶- Ethan Siegel Senior Contributor-forbes

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