我們從未發(fā)現(xiàn)過(guò)像太陽(yáng)系這樣的東西。是太空中的怪胎嗎？

自具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)以來(lái)在這一年里 1992兩顆行星圍繞著太陽(yáng)系外的一顆恒星運(yùn)行。,數(shù)以千計(jì)的新世界已被添加到快速增長(zhǎng)的“系外行星”列表中在銀河系中.

我們從中學(xué)到了很多東西圍繞外星恒星運(yùn)行的大量外星世界目錄。但有一個(gè)小細(xì)節(jié)像拇指酸痛一樣突出。我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)像我們自己的太陽(yáng)系那樣的東西。

這導(dǎo)致一些人得出結(jié)論，我們的母星和它的巢穴在某種程度上可能是異常值——也許是同類中唯一的行星系統(tǒng)。

推而廣之，這可能意味著生命本身就是一個(gè)異類;形成地球的條件及其自我復(fù)制化學(xué)的外表很難復(fù)制。

如果你只看數(shù)字，前景是嚴(yán)峻的。到目前為止，我們確定的最多的系外行星在很大程度上屬于一種未知的有利于生命的類型：巨星和亞巨星，氣體和冰的種類。

到目前為止，我們看到的大多數(shù)系外行星都非常緊密地圍繞它們的恒星運(yùn)行，幾乎擁抱著它們;如此之近，以至于它們的炙手可熱的溫度將遠(yuǎn)高于已知的宜居范圍。

隨著我們繼續(xù)搜索，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可能會(huì)平衡，我們會(huì)看到更多讓我們想起自己后院的地方。但這個(gè)問(wèn)題比只看數(shù)字要復(fù)雜得多。系外行星科學(xué)受到我們技術(shù)能力的限制。不僅如此，我們對(duì)真實(shí)外星世界多樣性的印象有可能受到我們自己想象力的限制。

銀河系中真正存在的東西，以及更遠(yuǎn)的地方，可能與我們實(shí)際看到的非常不同。

期望，以及如何挫敗它們

系外行星科學(xué)從一開(kāi)始就有著顛覆期望的歷史。

“如果你回到我小時(shí)候長(zhǎng)大的那個(gè)世界，我們只知道一個(gè)行星系統(tǒng)，”南昆士蘭大學(xué)的行星科學(xué)家 Jonti Horner 在 2022 年告訴 ScienceAlert。

“所以這就是這種隱含的假設(shè)，有時(shí)是明確的假設(shè)，所有的行星系統(tǒng)都是這樣的。你知道，在恒星附近會(huì)有非常小的巖石行星，在離恒星很遠(yuǎn)的地方會(huì)有非常大的氣態(tài)巨行星。這就是行星系統(tǒng)的樣子。

出于這個(gè)原因，科學(xué)家們花了一段時(shí)間才確定一顆圍繞主序星運(yùn)行的系外行星，比如我們的太陽(yáng)。假設(shè)其他太陽(yáng)系也像我們的太陽(yáng)系一樣，那么重量級(jí)行星拉扯恒星的跡象將需要數(shù)年時(shí)間才能觀察到，就像我們自己的氣態(tài)巨行星需要數(shù)年才能完成軌道一樣。

基于如此漫長(zhǎng)的單次測(cè)量，似乎不值得費(fèi)力地篩選出許多恒星相對(duì)較短的觀測(cè)歷史，以最終篩選出一個(gè)主序太陽(yáng)系。

當(dāng)他們終于看完時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)的系外行星完全不像他們期待什么：氣態(tài)巨行星質(zhì)量的一半（和尺寸的兩倍）木星它的軌道離它的主星如此之近，它的一年等于4.2天，它的大氣層在大約1000攝氏度（1800華氏度）的溫度下燃燒。

從那時(shí)起，我們了解到這些“熱木星”類型的行星一點(diǎn)也不奇怪。如果有的話，它們似乎相對(duì)常見(jiàn)。

我們現(xiàn)在知道，銀河系中的多樣性比我們?cè)诩彝ハ到y(tǒng)中看到的要多得多。然而，重要的是不要假設(shè)我們目前能探測(cè)到的就是銀河系所能提供的一切。如果有像我們自己的太陽(yáng)系這樣的東西，它很可能超出了我們的探測(cè)能力。

“像太陽(yáng)系這樣的東西對(duì)我們來(lái)說(shuō)很難找到，它們?cè)诩夹g(shù)上有點(diǎn)超出了我們的范圍，”霍納說(shuō)。

“類地行星不太可能從我們迄今為止所做的任何調(diào)查中被發(fā)現(xiàn)。你不太可能找到一個(gè)汞,金星、地球和火星圍繞著像太陽(yáng)這樣的恒星。

如何找到一顆行星

讓我們非常清楚：方法我們用來(lái)探測(cè)系外行星非常聰明。目前有兩種是系外行星探測(cè)工具包的主力：凌日法和徑向速度法。

在這兩種情況下，您都需要一臺(tái)對(duì)恒星光線的微小變化敏感的望遠(yuǎn)鏡。然而，每個(gè)人正在尋找的信號(hào)都大不相同。

對(duì)于凌日方法，您需要一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，可以使恒星持續(xù)固定在其視野中。這就是為什么美國(guó)宇航局的天基凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星（TESS）等儀器如此強(qiáng)大，能夠鎖定天空的一部分超過(guò) 27 天不會(huì)被地球自轉(zhuǎn)打斷。

一次入侵一個(gè)系外行星的天文學(xué)gif！這次有一個(gè)gif，顯示了探測(cè)系外行星??的凌日方法pic.twitter.com/2ZHv24DRTH

— Dr. Alysa Orbits （Obertas） （@AstroAlysa）9月 1， 2021

這類望遠(yuǎn)鏡的目的是發(fā)現(xiàn)凌日信號(hào)——當(dāng)一顆系外行星從我們和它的主星之間經(jīng)過(guò)時(shí)，就像一朵小云遮住了幾縷陽(yáng)光。

正如您可以想象的那樣，這些光線的下降很小。一個(gè)閃光點(diǎn)不足以自信地推斷出系外行星的存在;有很多事情可以使恒星的光芒變暗，其中許多是一次性事件。多次過(guò)境，尤其是那些表現(xiàn)出規(guī)律周期性的過(guò)境，是黃金標(biāo)準(zhǔn)。

因此，在較短的軌道周期內(nèi)，比水星更接近恒星的較大系外行星（有些在不到一個(gè)地球周的軌道上更近），在數(shù)據(jù)中受到青睞。

如果你錯(cuò)過(guò)了，我的gif展示了如何通過(guò)徑向速度方法檢測(cè)系外行星，現(xiàn)在可以在黑暗模式下使用！pic.twitter.com/P4yvXQVSUt

— Dr. Alysa Orbits （Obertas） （@AstroAlysa）8月 15， 2022

徑向速度法檢測(cè)恒星在其軌道上擺動(dòng)時(shí)由系外行星的引力引起的擺動(dòng)。你看，一個(gè)行星系統(tǒng)并沒(méi)有真正圍繞恒星運(yùn)行，而是在協(xié)調(diào)的洗牌中跳舞。恒星和行星圍繞一個(gè)共同的重心運(yùn)行，稱為重心。

對(duì)于太陽(yáng)系，這是一個(gè)非常非常接近太陽(yáng)表面的點(diǎn)，或者就在太陽(yáng)表面之外，主要是由于木星，即超過(guò)兩倍所有其他行星的質(zhì)量加起來(lái)。

與凌日事件的眨眼和錯(cuò)過(guò)事件不同，恒星位置的變化是一個(gè)持續(xù)的變化，不需要持續(xù)的監(jiān)測(cè)來(lái)注意到。我們可以探測(cè)到遙遠(yuǎn)恒星圍繞其重心運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)改變他們的光線由于所謂的多普勒效應(yīng)。

當(dāng)恒星向我們移動(dòng)時(shí)，朝我們方向射來(lái)的光波會(huì)略微被擠壓，朝向光譜的藍(lán)色末端;當(dāng)它遠(yuǎn)離時(shí)，波浪向更紅的一端延伸。恒星光線中有規(guī)律的“擺動(dòng)”表明存在軌道伴星。

同樣，數(shù)據(jù)傾向于支持較大的行星，這些行星在距離恒星更短、更近的軌道上施加更強(qiáng)的引力影響。

除了這兩種突出的方法外，有時(shí)還可以直接對(duì)系外行星繞恒星運(yùn)行進(jìn)行成像。雖然這是一件非常困難的事情，但它可能會(huì)變得更加普遍在JWST時(shí)代.

根據(jù)英國(guó)華威大學(xué)的天文學(xué)家丹尼爾·貝利斯（Daniel Bayliss）的說(shuō)法，這種方法將發(fā)現(xiàn)一個(gè)幾乎相反的類別系外行星到短軌道品種.

為了看到一顆系外行星而不被其母星的眩光淹沒(méi)，這兩個(gè)天體需要有非常大的距離。這意味著直接成像方法有利于相對(duì)較長(zhǎng)軌道上的行星。

然而，由于顯而易見(jiàn)的原因，通過(guò)這種方法仍然更容易發(fā)現(xiàn)更大的系外行星。

“每種發(fā)現(xiàn)方法都有自己的偏見(jiàn)，”貝利斯解釋說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)，地球繞太陽(yáng)一周之久，位于不同探測(cè)技術(shù)所青睞的軌道極端之間，因此“找到軌道為一年的行星仍然非常非常困難。

那里有什么？

到目前為止，數(shù)量最多的組系外行星是一個(gè)在太陽(yáng)系中甚至沒(méi)有代表的類別。這就是迷你海王星——比海王星小、比地球大的氣體包裹系外行星。

大多數(shù)已確認(rèn)的系外行星的軌道比地球短得多;事實(shí)上，超過(guò)一半的軌道不到20天。

我們發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)系外行星都圍繞著孤獨(dú)的恒星運(yùn)行，就像我們的太陽(yáng)一樣，只有不到10%的系外行星在多星系統(tǒng)中。然而 m銀河系中的恒星是多星系統(tǒng)的成員，估計(jì)高達(dá)80%的恒星圍繞著至少一顆其他恒星運(yùn)行。

不過(guò)，想一想。這是否意味著系外行星在單顆恒星周?chē)Ｒ?jiàn)，或者系外行星在多顆恒星周?chē)y探測(cè)到？

不止一個(gè)光源的存在會(huì)扭曲或掩蓋我們?cè)噲D從系外行星探測(cè)到的非常相似（但要小得多）的信號(hào)，但也可能是多星系統(tǒng)以某種方式使行星形成復(fù)雜化的。

這又把我們帶回了家，回到了我們的太陽(yáng)系。盡管在我們發(fā)現(xiàn)的一切背景下，家似乎很奇怪，但它可能并不少見(jiàn)。

“我認(rèn)為可以公平地說(shuō)，我們的太陽(yáng)系中實(shí)際上缺少一些非常常見(jiàn)的行星類型，”貝利斯說(shuō)。

“超級(jí)地球看起來(lái)有點(diǎn)像地球，但半徑是地球的兩倍，我們沒(méi)有這樣的東西。我們沒(méi)有這些迷你海王星。所以我認(rèn)為可以公平地說(shuō)，有一些非常常見(jiàn)的行星，我們?cè)谧约旱奶?yáng)系中看不到。

“現(xiàn)在，無(wú)論這是否使我們的太陽(yáng)系變得稀有，我想我不會(huì)走那么遠(yuǎn)。因?yàn)榭赡苓€有很多其他恒星擁有太陽(yáng)系類型的行星，我們只是還沒(méi)有看到。

在發(fā)現(xiàn)的邊緣

第一顆系外行星是在 32 年前被發(fā)現(xiàn)的，它圍繞著脈沖星，一顆完全不像我們自己的星星。從那時(shí)起，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)超出了人們的視線?，F(xiàn)在科學(xué)家們知道要尋找什么，他們可以設(shè)計(jì)出越來(lái)越好的方法來(lái)在更多樣化的恒星周?chē)业剿鼈儭?/p>

而且，隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們發(fā)現(xiàn)越來(lái)越小的世界的能力也會(huì)越來(lái)越小。

這意味著系外行星科學(xué)可能即將發(fā)現(xiàn)我們目前視野中隱藏的數(shù)千個(gè)世界。正如霍納所指出的，在天文學(xué)中，小事比大事多得多。

紅矮星就是一個(gè)很好的例子。它們是銀河系中最常見(jiàn)的恒星類型，而且它們很小，質(zhì)量只有太陽(yáng)的一半左右。它們是如此之小和昏暗，以至于我們無(wú)法用肉眼看到它們，但它們卻解釋了高達(dá) 75%銀河系中的所有恒星。

現(xiàn)在，當(dāng)涉及到從統(tǒng)計(jì)學(xué)上理解系外行星時(shí)，我們使用的是不完整的信息，因?yàn)橛行╊愋偷氖澜缡俏覀兛床坏降摹?/p>

這種情況必將改變。

“我只是有一種嘮叨的感覺(jué)，如果你在20年后回來(lái)，你會(huì)看到那些關(guān)于迷你海王星是最常見(jiàn)的行星的說(shuō)法，就像你回顧1990年代初的聲明一樣，這些聲明說(shuō)你只會(huì)在恒星旁邊看到巖石行星，”霍納告訴ScienceAlert。

“現(xiàn)在，我很可能被證明是錯(cuò)的。這就是科學(xué)的運(yùn)作方式。但我的想法是，當(dāng)我們能夠發(fā)現(xiàn)地球大小和更小的東西時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)地球大小和更小的東西比海王星大小的東西更多。

也許我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，我們這個(gè)古怪的小行星系統(tǒng)，盡管有各種怪癖和奇跡，但在宇宙中并不是那么孤單。

本文的早期版本發(fā)布于 2022 年 12 月。

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