NASA開普勒任務錯失了多少行星？

【博科園-科學科普】我們的星系（銀河系）中有多少行星？這是一個30年前的問題，當時人類還沒有發現太陽系之外的第一顆行星。快進到今天已經直接找到了成千上萬，絕大多數是由NASA的開普勒任務發現的。但儘管開普勒取得了成功以及所有這些新發現，更值得注意的是它所忽略的所有行星有多少呢？

從美國國家航空航天局(NASA)找到的行星探測太空望遠鏡開普勒(Kepler)的概念圖。圖片：NASA Ames/ W Stenzel

由於開普勒使用的是凌日法來探測系外行星，所以有多少是由於非黃道排列而失去發現機會呢？這個答案有兩個部分：遺漏了99%以上的部分，而遺漏的大部分(甚至是大多數)都與對齊無關。

對開普勒發現的行星的全套插圖，圖片：NASA /W. Stenzel

美國國家航空航天局(NASA)的開普勒(Kepler)航天器的工作方式是其主要任務結束前在我們的銀河系的一個小區域(大約3光年)中觀察一個小區域。通過觀察銀河系的一個螺旋臂，即使它的視野狹窄，也能監測了大約15萬顆恆星，尋找微小的、周期性的亮度變化。特別的是如果一顆恆星在短時間內被少量的亮度調暗，重新恢復到原來的亮度，然後再次出現同樣的強度和持續時間的下降，這將被標記為候選行星。

主要過境(L)和發現系外行星在開普勒外行星小koi64的母星(R)的後面。

這被稱為系外行星發現的過境法。太陽系可以存在於任何相對於我們的方向上，但每隔一段時間就會發現它的行星圍繞著它們的恆星運行，這樣它們就會在恆星的前面與我們的視線相對。除了行星，還有其他的現象可以導致一次下降，包括：

1、在我們的太陽系中，一個經過的小行星或柯伊伯帶天體

2、在星際空間深處的一個流浪星球

3、一個雙星，其中一個超過另一個

4、或者是恆星本身內部的可變性，比如一個大的低溫太陽黑子

2006年水星凌日，但太陽表面的大太陽黑子實際上減少了它的光輸出，這是一個更大的因素。圖片：Williams College; Glenn Schneider, Jay Pasachoff, and Suranjit Tilakawardane

但如果重複的幅度相同，特別是在多次重複的情況下就會成為用另一種方法進行後續觀察的優秀候選者。開普勒發現的行星中有一半已經被證實為實際的行星，目前已有數千顆。在開普勒視野的15萬顆恆星中並不算很多。

開普勒望遠鏡的視野大約有15萬顆恆星，但只有幾千顆恆星被觀測到。理論上，幾乎所有這些恆星都應該有行星。 圖片：Painting by Jon Lomberg, Kepler mission diagram added by NASA

恆星可能是相當大的實體，即使最小的行星直徑也超過10萬公里，但距離行星的距離是巨大的，在它們的半長軸上，從數百萬到數十億公里不等。在我們自己的太陽系中，離太陽最近的行星是水星，而且它經常在太陽的前面。但這只是因為我們太陽系的所有行星都在同一平面上！如果我們在太陽系之外，相對於我們自己的黃道平面，我們很可能是隨機方向的，只有很小一部分的方向我們才能看到水星的運行。

從空間的隨機方向來看，考慮到每個行星相對於太陽的相對大小和軌道距離，我們可以計算出一個過境的概率。離太陽越遠，幾率就越低。這個分析並沒有解釋大小或時間。圖片：E. Siegel

事實上可以計算出太陽系中的每一顆行星，離的父恆星越近，即使水星有不到1%的幾率讓它的飛機與觀察者保持一致，但是隨著時間的推移會像木星一樣遙遠，幾率只有1 - 2000。顯然絕大多數的行星都被開普勒所忽略，而交運動方向是其中的一個重要因素，但也有其他因素可能更重要。

開普勒設計的目的是尋找行星凌日現象，在那裡一顆大的行星圍繞著一顆恆星運行，可以阻擋一小部分的光，從而將其亮度降低到1%。相對於它的母星來說越小，就越需要建立一個強大的信號。圖片版權：Matt of the Zooniverse/Planet Hunters team

規模也扮演著重要的角色。也就是說行星與其母星的相對大小。如果一個行星在運動過程中覆蓋了其母恆星表面的1%，那麼開普勒就能很容易地看到它。如果它只阻斷了0.1%的軌道，那麼它就需要10個軌道才能產生與之前的情況一樣重要的信號。100%的水星大小的行星太小，不能在類似太陽的恆星周圍看到。因此所有火星大小的行星都是如此。這是最容易看到的最小的恆星周圍的最大的行星，這與開普勒發現的完全一致。

2016年5月當最大的新系外行星被發現時，開普勒根據其大小分布發現的行星數量。超級地球/迷你海王星世界是目前最常見的，只有一小部分行星比地球小。圖片：NASA Ames / W. Stenzel

最後還有時間問題。開普勒的任務只持續了3年，所以它只能探測到一個行星的多重凌日，而這個行星的運行時間要比它短得多。我們太陽系的所有氣態巨行星，儘管它們的大小都是完全看不見的！如果我們把這些都放在一起，就會發現有一些主要的因素需要聚集在一起，以便開普勒探測到一個過渡行星：

1、行星系統的取向/排列必須足夠好，讓行星從我們的角度來面對它的恆星

2、相對於恆星的大小，這顆行星必須足夠大，足夠的光被阻擋在一個給定數量的過渡物上，以便進行探測

3、行星必須足夠接近其母恆星，在觀測期間至少有兩次過渡

雖然開普勒發現了地球大小的行星，但絕大多數被發現的行星都比地球大，比地球更接近其母星，這可能只是因為這些行星是最容易找到的。圖片：NASA Ames / W. Stenzel; Princeton University / T. Morton

我們很容易觀察到目前為止所看到的行星的數量，並推斷出銀河系中所有恆星應該有多少顆行星，但沒有足夠的數據。我們已經測量了整個恆星系統，基於距離/軌道周期關係，可以有把握地說到目前為止，我們已經發現了至少1000倍的行星。但對於太陽系的外部部分，我們還沒有足夠的數據來了解。用目前的方法需要調查幾百年才能知道什麼是典型的，但還有另一個希望。

LUVOIR太空望遠鏡的概念設計將把它放在L2拉格朗日點，一個15.1米的主鏡將展開並開始觀察宇宙，給我們帶來數不清的科學和天文財富。圖片：NASA / LUVOIR concept team; Serge Brunier (background)

像巨大的麥哲倫望遠鏡和歐洲超大望遠鏡這樣的30米級望遠鏡將能夠從反射光線中直接將外部行星模擬出來，而終極夢想機器LUVOIR，一個10 - 15米的望遠鏡，將提供一種難以想像的現有技術的行星。在我們知道什麼是肯定的之前，所能做的就是設定更低的限制並做出估計。我們目前認為銀河系中可能有數萬億顆行星。幸運的是適量的資金以及大量的辛勤工作，這可能是我們在短短几十年里就知道的科學答案的因素。

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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