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对于科学家来说,找到一个与地球相同的星球,甚至是粗略的近似星球,已被证明是一件困难的事情。 围绕其他恒星运行的行星目录在10月份增加到400多个条目,但驱动系外行星研究的主要目标是发现一个可居住的世界,而这一目标仍未实现。然而,一些粗略的近似值开始出现。
根据人类有限的经验,宜居性似乎意味着一个小型星球——一颗类地行星,而不是像木星或土星那样的气体巨星——以舒适的“金发姑娘”距离绕其恒星运行,使水以液态形式存在。不幸的是,一些最容易被探测到的行星是所谓的“热木星”:巨大的天体紧紧地抱住它们的宿主恒星,因此会受到极高的(并且可能否定生命)温度的影响。
但是,本周发表或宣布的三篇论文表明,系外行星的搜寻已经取得了多大的进展,以及这些项目如何朝着找到一个类似地球的行星,甚至可能是一个附近的行星迈进。在12月17日的《自然》杂志上,哈佛-史密森天体物理学中心的戴维·查博诺和他的同事们提出了证据,证明附近存在一颗所谓的超级地球——一颗比我们自己的地球大,但比天王星和海王星小的行星,它们分别是太阳系中质量和直径最大的行星。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)周一,两项计划在《天体物理学杂志》上发表的研究被公布,每项研究都声称发现了围绕附近类太阳恒星运行的不同超级地球。
地球的类似物,以及在较小程度上超级地球,之所以如此难以捉摸,部分原因是系外行星探测的两种主要模式更有利于更大、更热的行星。凌星搜索,即跟踪行星从恒星前方经过时恒星的周期性变暗,更容易探测到近距离轨道上的大型行星,当它们遮蔽恒星时会遮挡更多的光。而径向速度搜索,即寻找恒星在轨道伴星的影响下摇摆时恒星光线的多普勒频移,更适合于在宿主恒星中引起更大引力摇摆的大质量行星。
查博诺和他的同事发现的这颗行星被称为GJ 1214 b,估计质量为地球的6.55倍,直径是地球的2.68倍。每38小时,GJ 1214 b 就完成一次围绕 GJ 1214 的轨道运行,GJ 1214 是一颗昏暗、轻型的红矮星,被称为 M 型矮星,距离太阳仅 42 光年。
GJ 1214 b 是通过 MEarth 项目发现的,该项目使用八台业余尺寸的望远镜来监测附近的 M 型矮星,以寻找凌星行星引起的周期性变暗。观察到的变暗量,结合恒星的已知大小,使查博诺的团队能够估计 GJ 1214 b 的直径。MEarth 团队还使用了来自 更大的望远镜的径向速度数据,以探测行星对其宿主恒星的引力,从而得出质量估计值。在今年早些时候由太空欧洲 COROT 望远镜发现的COROT 7 b之后,GJ 1214 b 是已知直径和质量的最小行星。
M 型矮星由于温度较低而成为特别有吸引力的目标。即使像 GJ 1214 b 这样的行星,其轨道比太阳系中发现的任何行星都要紧密得多,如果它有类似地球的大气层,也可能足够冷,让水凝结成液态。新发现的行星“有点太热,无法拥有液态水,但它并没有错过太多”,查博诺周一在电视新闻发布会上说。“这可能不是你所说的宜居世界,”他警告说,并指出这样的发现可能只是几年后的事。美国宇航局的开普勒任务,以及在较小程度上,COROT,如果它们像天文学家怀疑的那样相对普遍,那么它们就完全有可能找到地球的类似物。
查博诺说,这颗炙热的小行星可能仍然有液态水:它的密度与富含水的构成一致,加上一个巨大的大气层,其压力将使水在高温下保持液态。但是,系外行星研究员萨拉·西格,一位没有参与这项新研究的麻省理工学院的天体物理学家指出,“我们真的不知道”GJ 1214 b 是由什么构成的;许多成分分布可以解释该行星的观测密度。“没有唯一的组合”可以产生给定的密度,她说。GJ 1214 b 与太阳系的相对接近性应该允许已经在运行的大型望远镜进行更详细的研究。“我们希望在不久的将来直接了解大气层,”查博诺说。
总结超级地球三部曲
在本周发布的《天体物理学杂志》的一篇论文中,加州大学圣克鲁兹分校的天文学家史蒂文·沃格特和他的同事发现了一颗质量更小的超级地球,它围绕着 61 Virginis 运行,这颗恒星距离地球仅 28 光年,在质量、直径和亮度方面与太阳相似。据估计,质量为 5.1 个地球的 61 Vir b 似乎在 61 Virginis 系统中至少有两个更大的行星兄弟姐妹伴随着它。
本周公布的第三个超级地球来自发现 61 Virginis 周围行星的团队的一个子集。较小的团队证明了至少有一颗,也可能是三颗行星围绕着类似太阳的恒星 HD 1461 运行,该恒星距离地球约 76 光年。更可靠的行星探测是超级地球 HD 1461 b,估计质量是地球的 7.4 倍。
61 Vir b 和 HD 1461 b 都是仅通过径向速度或恒星摇摆测量值检测到的,这意味着它们的直径仍然未知。后续观测可能能够发现行星凌星现象,但前提是行星的轨道沿着我们的视线经过各自的恒星。在任何情况下,鉴于 61 Vir b 和 HD 1461 b 以大约水星绕太阳运行距离的六分之一的距离绕太阳类比物运行,因此它们都将是灼热的天体,不适合我们所知的生命生存。
尽管宜居世界仍然难以捉摸,但天文学家正在稳步通过沿途的里程碑。“到目前为止,我们能够详细研究的行星是热木星,”西格说,她将新公告视为未来发展的迹象。“即将到来的新年有点像我们在系外行星方面的新年,因为我们正在从旧的东西——热木星——转向新的东西,即超级地球。”