系外行星:环绕遥远恒星运行的世界

人类已经推测了它们的存在已有数千年的历史了,但是我们的人类是确定地知道系外行星确实存在的第一代人。

我们自己的银河系银河系在智利La Silla望远镜上方的天空中延伸。隐藏在我们自己的银河系中的是数万亿颗行星,其中大多数等待被发现。图片通过 ESO / S。布鲁尼尔.

通过 美国宇航局系外行星探索计划的Pat Brennan

在一个晴朗的夜晚走到外面,您可以确定我们祖先只能想象的事情:您看到的每一颗恒星都可能至少拥有一颗行星。

环绕其他恒星运行的世界称为 系外行星,它们的大小各不相同,从比木星大的天然气巨人到大约与地球或火星一样大的岩石小行星。它们可能很热,可以煮沸金属或冻结在深处。他们可以紧紧绕着恒星旋转,以至于 只持续几天;他们可以一次绕两个太阳公转。有些系外行星是无日的流氓,在永久的黑暗中徘徊在银河系中。

银河系是最浓密的恒星流,它们在最黑暗,最晴朗的夜晚划过天空。它的螺旋式扩张可能包含大约4000亿颗恒星,其中我们的太阳在其中。而且,如果这些恒星中的每一个不仅拥有一个行星,而且像我们的行星一样,拥有一个完整的系统,那么银河系中的行星数量确实是天文数字:我们已经达到了万亿。

这座岩石般的超级地球是未来望远镜的类型的例证,例如TESS和James Webb,他们希望在我们的太阳系之外找到它们。图片来自ESO / M。康美瑟

几千年来,我们人类一直在猜测这种可能性,但我们是确定地知道系外行星确实存在的第一代人。实际上,出门在外。最近发现我们最近的恒星Proxima Centauri具有 至少一颗行星 –可能是一块岩石。 4.5 光年 远–超过25万亿英里(40万亿公里)。到目前为止,发现的大部分系外行星距离成百上千光年。

坏消息:到目前为止,我们尚无办法联系他们,也不会很快留下足迹。好消息:我们可以观察它们,测量它们的温度,品尝它们的气氛,并且也许有一天很快会发现从这些昏暗而遥远的世界捕获的像素中隐藏的生命迹象。

第一个闯入世界舞台的系外行星是51 Pegasi b, 热木星 距离它只有50光年,围绕它的恒星围绕四天的轨道运行。分水岭是1995年。突然间,系外行星就是一件事情。

当一颗行星直接经过其恒星与观察者之间时,它会使恒星的光线变暗可测量的数量。通过NASA / JPL-Caltech的视频

但是一些提示已经出现。尽管该发现于1992年被撤消,但在1988年发现了一颗现在被称为Tadmor的行星。十年后,越来越多的更好数据明确表明它确实存在。

和三个系统 脉冲星行星 从1992年开始也发现了这颗行星。这些行星以大约2300光年的距离运行着一个脉冲星。脉冲星是高密度,快速旋转的死亡恒星尸体,用灼热的辐射长矛掠过它们周围轨道上的任何行星。

现在我们生活在系外行星的宇宙中。确认的行星数为3,700,并且还在上升。那只是从整个星系的一小部分采样中得出的。随着我们增加放到太空中的机器人望远镜的数量并提高观测能力,这个数字在十年内可能会增加到数万。

我们是怎么来到这里的?

我们站在科学史的悬崖上。早期探索的时代以及首次确认的系外行星探测已进入下一阶段:太空和地面上的更清晰,更先进的望远镜。他们将广泛发展,但也会深入研究。有些人的任务是对这些遥远的世界进行更加精确的人口普查,确定其众多规模和类型。其他人将更仔细地检查各个行星,它们的大气以及它们具有某种生命形式的潜力。

系外行星的直接成像(即实际照片)将扮演越来越重要的角色,尽管我们目前主要是通过间接手段得出的。两种主要方法依赖于摆动和阴影。的 摆动法,称为 径向速度,当恒星被轨道行星的引力拖拉力拉动来回时,观察恒星的惊人抖动。摆动的大小揭示了 重量或行星的质量。

这部令人回味的影片比木星环绕着年轻的恒星HR 8799更大,质量超过四个行星,其中包括在W.M.拍摄的七年影像。夏威夷的凯克天文台。图片出自Jason Wang / Christian Marois。

这种方法产生了第一个已确认的系外行星探测,包括 51 Peg b在1995年是由天文学家Michel Mayor和Didier Queloz发现的。迄今为止,使用径向速度法的地面望远镜已经发现了近700颗行星。

但是绝大多数的系外行星都是通过寻找阴影而发现的:当一颗行星穿过它的面孔时,恒星发出的光会出现难以置信的微小下降。天文学家称这次穿越为 过境.

星光下的倾角大小揭示了正在过渡的行星有多大。毫不奇怪,这种对行星阴影的搜索被称为 运输方式.

美国宇航局于2009年发射的开普勒太空望远镜以这种方式发现了近2,700颗已确认的系外行星。现在在 K2任务,开普勒仍在寻找新的行星,尽管其燃料有望很快用完。

每种方法都有其优缺点。摆动检测提供了行星的质量,但没有提供有关行星的周长或直径的信息。运输检测显示直径,而不显示质量。

但是,将多种方法一起使用时,我们可以了解整个行星系统的生命统计数据,而无需直接对行星本身进行成像。迄今为止最好的例子是 TRAPPIST-1系统 距地球约40光年,其中七个地球大小的行星绕着一颗红色的小恒星旋转。

已经使用地面和太空望远镜对TRAPPIST-1行星进行了检查。基于太空的研究不仅揭示了它们的直径,还揭示了这七个紧密堆积的行星彼此之间的微妙引力影响。由此,科学家确定了每个星球的质量。

所以现在我们知道了它们的质量和直径。我们还知道,恒星辐射出的能量有多少会撞击这些行星的表面,从而使科学家能够估算出它们的温度。如果您站在其中之一,我们甚至可以对光水平进行合理的估计,并猜测天空的颜色。尽管这七个世界尚不为人所知,包括它们是否拥有大气层,海洋,冰原或冰川,但它已成为除我们之外最著名的太阳系。

我们去哪?

下一代太空望远镜就在我们身边。首先是 星期三’s launch of TESS,过境系外行星勘测卫星。这款非凡的仪器将对更近,更亮的恒星进行近乎全天候的调查,以寻找过境行星。过去的过境大师开普勒将把发现的火炬传递给TESS。

反过来,TESS将与目前计划于2020年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb 空间 Telescope)一起寻找更近距离观看的最佳人选。韦伯望远镜将部署巨大的,分段的聚光镜,将其像带状瓦片一样骑平台,旨在直接从行星本身捕获光。然后,光可以分成多色光谱,这是一种条形码,显示了地球大气中存在的气体。韦伯的目标可能包括 超级地球或比地球大但小于海王星的行星-有些可能是岩石行星,例如我们自己的超大型行星。

举例说明了NASA系外行星计划目前和将来的不同任务和天文台。图片来自NASA。

对这些大行星知之甚少,包括其中一些行星是否适合生活。如果我们很幸运,也许其中一个会在大气中显示出氧气,二氧化碳和甲烷的迹象。这种混合气体会强烈地使我们想起我们自己的大气,这可能表明生命的存在。

但是在地球大小的系外行星上寻找类似地球的大气层可能不得不等待下一代在2020年代或2030年代甚至更强大的太空探测器。

感谢开普勒望远镜的统计调查,我们知道上面的恒星富含行星伴星。当我们凝视着夜空时,我们不仅可以确定众多系外行星的邻居,而且可以确定其他事情:冒险才刚刚开始。

底线:环绕其他恒星运行的世界称为 系外行星。我们怎么知道他们’在那里,还有通过新启动的TESS任务寻找更多东西的潜力。

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