科學建模揭密：類日恆星周圍有多少類地行星呢？

導言：一項最新的研究提供了最精確的估計，在大小和距離上與地球相似的行星圍繞與我們太陽相似的恆星運行的頻率。了解這些可能適合居住的行星的出現頻率，對於設計未來的天文任務，以及確定圍繞類太陽恆星的可維持生命的岩態行星的特徵是非常重要的。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 圖：系外行星概念圖 Credit: Dimitar Marinov /

美國宇航局(NASA)著名的開普勒望遠鏡於2009年發射升空，2018年耗盡燃料供應後退役。

開普勒太空望遠鏡發現了數千顆行星，觀測了數十萬顆恆星，識別了太陽系外的行星——系外行星。當一顆行星的軌道在恆星和望遠鏡之間通過時,會發生凌日事件，阻止一些恆星的光，使其看起來變暗了。通過測量光線變暗的量和持續時間間隔，並利用有關恆星數據信息，來表徵行星的大小和行星與其恆星之間的距離。

然而，簡單地計算給定大小或軌道距離的系外行星是有誤導性的，因為找到離恆星遠的小行星比找到離恆星近的大行星要困難得多。

為了克服這個障礙，賓夕法尼亞州立大學研究人員設計了一種新方法來推斷不同大小和軌道距離的行星的發生率。新模型模擬恆星和行星的「宇宙」，然後「觀察」這些模擬的宇宙，以確定開普勒在每個「宇宙」中發現了多少行星。

研究人員使用開普勒發現的行星的最終目錄，以及來自歐洲航天局(European Space Agency)的蓋亞(Gaia)探測器的恆星特性，來構建模型。通過將結果與開普勒記錄的行星進行比較，確定了每顆恆星上行星的數量，以及這與行星大小和軌道距離的關係。該新方法讓研究團隊能夠解釋之前研究中沒有包括的幾個影響。

描述該模型的論文發表在2019年8月14日《The Astronomical Journal》雜誌上。

這項研究的結果對於規劃未來的太空任務，以確定可能與地球相似的行星的特徵，具有特別重要的意義。雖然開普勒發現了數千顆小行星，但大多數都離地球很遠，天文學家很難了解它們的組成和大氣層的細節。

因此，科學家們對尋找生物標誌物特別感興趣。這些生物標誌物是指生命的分子。宜居帶是行星表面能夠支持液態水的軌道距離範圍。在類太陽恆星的宜居帶中尋找地球大小的行星上存在生命的證據需要一項新的大型太空任務。

這項任務需要多大將取決於地球大小行星的數量。美國國家航空航天局和美國國家科學院目前正在探索在規模和能力上存在巨大差異的任務概念。如果地球大小的行星很稀少，那麼最近的類地行星就會離我們更遠，因此需要一項宏大而雄心勃勃的任務來尋找潛在類地行星上存在生命的證據。另一方面，如果地球大小的行星是常見的，那麼將會有地球大小的系外行星圍繞著離太陽很近的恆星運行，一個相對較小的天文台可能能夠研究它們的大氣層。

雖然開普勒觀察到的大多數恆星通常距離太陽數千光年,但開普勒觀測到的恆星樣本足夠大，可以進行嚴格的統計，來分析估計地球大小的行星在附近類太陽恆星附近宜居區出現的幾率。

根據模擬，研究人員估計，非常接近地球大小的行星，從地球大小的四分之三到1.5倍不等，軌道周期從237天到500天不等，大約每四顆恆星中就有一顆。重要的是，模型量化了評估中的不確定性。他們建議未來的行星探測任務計劃要有一個真實的比率，從低到大約每33顆恆星有一顆行星，到高到幾乎每兩顆恆星有一顆行星。

知道我們應該多久發現一顆給定大小和軌道周期的行星，這對優化對系外行星的調查，以及為即將到來的太空任務的設計提供了極大的幫助，並促成成功的機會最大化。

參考資料：

1. How many Earth-like planets are around sun-like stars?

2. News from Penn State

3. Occurrence Rates of Planets Orbiting FGK Stars: Combining Kepler DR25, Gaia DR2, and Bayesian Inference.

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