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美国航天局

行星日食示意图

6月19日,开普勒望远镜观测小组发布了第八批也是最后一批数据,这些数据基于开普勒0+望远镜前四年的观测数据,使行星候选名单增加了219名成员。其中10个和地球差不多大,位于可居住区。迄今为止,开普勒共发现了2335颗系外行星,其中30颗被认为是类似于地球的可居住行星。

美国宇航局官方网站的统计数据显示,通过各种观测方法,已经确认并发现了3400多颗系外行星,其中开普勒望远镜占2/3。开普勒发现外星行星的效率与其成功的项目设计密不可分。

寻找比地球小的行星

2009年3月,美国宇航局的开普勒望远镜发射了0+。这台0.95米的施密特望远镜的核心任务是连续观测银河系中固定天空区域的大量恒星,从而广泛搜寻地外行星,从而回答这样一个问题:在我们的银河系中,行星与地球相似吗?特别是,在可居住区的行星普遍存在吗?这些数据与长期以来备受关注的外星生命是否存在的问题密切相关。

《奇异星球猎人》是如何炼成的

在几年的观测中,开普勒望远镜每30分钟记录一次,并在目标天空区域连续观测超过15万颗恒星。基于大视场和高测光精度的优势,开普勒望远镜可以探测到极其微小的恒星光变化,因此它可以找到比地球小的行星的踪迹。

开普勒望远镜使用“过渡方法”来搜寻外星行星。“凌星方法”也被称为“食蚀法”,它利用行星穿过恒星圆盘寻找行星时发生的食蚀现象。

当我们观察金星和水星在地球上的凌日时,我们可以看到一颗行星像黑点一样掠过太阳的光球。在这个过程中,行星会阻挡恒星发出的一小部分光。当观察者远离恒星并且不能直接观察到行星时,也可以通过观察恒星光度的周期性轻微下降和上升来间接检测到行星的存在。如果一个系统的几个日食具有相同的光变化幅度、日食持续时间和事件周期,那么它可能是一个以该周期旋转的行星。此外,该方法可以通过光的振幅变化来获得行星和恒星的大小之比,进而获得行星的大小。

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这种方法有一定的误报率,因此需要结合其他方法进一步确定这是一颗行星。因此,他们在发现的早期都被称为候选人。

这个方法并不完美。只有当观察者的视线几乎与行星的轨道在同一平面上时,才能观察到日食现象。因此,即使系统有行星,也只能用这种方法观察到一小部分,而且它的概率与恒星大小与行星轨道半径之比成正比。例如,一个非常靠近主星的热木星的日食概率约为10%,而像地球这样位于太阳系可居住区的行星的日食概率不到1%。然而,如果能同时扫描数万颗恒星的大样本,用这种方法仍能找到相当多的行星系统。

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当太空时,会显示星星“闪烁”

为了发现地球大小的行星,望远镜测光需要高精度。木星大小的行星遮挡太阳可以引起1%-2%的光变化,而地球大小的行星遮挡太阳只能引起84 ppm的光变化(1 ppm = 1 ppm)。

如果从地面进行观测,我们必须首先设法消除由大气扰动引起的恒星光度的变化。如果一个人站在地球上,用肉眼就能探测到一颗恒星的光度变化,那么这颗恒星的光变化程度已经远远超过了一般行星日食所引起的光变化程度。地面观察员已经做了大量努力来消除这种影响。目前,这种干扰造成的影响可以控制在千分之一的程度。木星大小的地外行星可以如此精确地找到,但是我们无法找到地球大小的行星。

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另一方面,日食的持续时间通常只有几个小时。如果你想连续观察一颗恒星的光线变化,你必须在地球各处放置望远镜,以确保一台望远镜在任何时候都能在夜间工作。与此同时,如果你想找到类地类日系外行星系统的多重日蚀,将需要多年的观察。地面观测很难找到固定的天空区域进行这种长期监测。因此,这项任务必须在空望远镜的帮助下完成。

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恒星本身也有光度变化。例如,我们的太阳有一个11年的活跃周期和一个20天的自转周期,这两个周期都会引起自身光度的变化。然而,在几个小时的行星日食中,由这些机制引起的光变化只有大约1ppm,与由地球日食引起的84ppm相比仍然非常小。此外,这些光的变化大多发生在紫外波段,不属于开普勒望远镜的观测波段,不会造成太大影响。

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为了有一个更稳定的平台,开普勒望远镜没有选择环绕地球的轨道,而是选择跟随地球的脚步,以太阳为中心旋转。

在选择观测天空区域时,由于掩星过程的持续时间通常小于一天,观测采样率不得低于几小时的频率。只有这样,我们才能确保有足够的恒星光变化数据来分析。这要求在整个观测过程中,观测到的天空区域不应被遮挡。

因为开普勒的轨道以太阳为中心。为了避免太阳系天体的黄道干扰,目标天空区域优选地选择在黄道平面之外,即地球围绕太阳的轨道平面。另一方面,我们需要尽可能多的恒星样本来研究这些系外行星系统的结构异同。这就要求在天空区域有尽可能多的目标恒星,但是为了避免背景干扰,最好是避开一个小银河平面的位置。基于上述条件,开普勒望远镜将其透镜对准天鹅座和天琴座区域。

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太阳系外行星比预期的要多。

作为第一个探测太阳系外类地行星的宇宙飞船,开普勒的工作非常出色。一方面,大量系外行星系统的“人口普查”可以帮助科学家在宏观层面上更好地了解行星的大小及其轨道分布特征。另一方面,基于已经探测到的行星数量和日蚀的概率,科学家可以估计被遗漏的行星数量,然后推断外行星系统是否广泛存在。

在开普勒望远镜升到0+之前,科学家们预测太阳系外每100颗恒星中大约会有一颗行星与地球相似,在今年6月的开普勒会议上,科学家们认为这种可能性被大大低估了。詹姆斯韦伯空望远镜将于明年发射,也将带来更多关于地球大气的数据。如果能找到与地球大气成分相似的行星,发现外星生命的可能性将会进一步提高。

来源:联合新闻网

标题:《奇异星球猎人》是如何炼成的

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