我们真的孤独吗？探索系外行星，发现新的宇宙

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本文参加百家号 #科学了不起# 天文航天系列征文赛。
世代以来，人类仰望星空，思考着自己在宇宙中是否孤独的问题。随着太阳系中行星的发现、对银河星系认识的拓展以及其他星系的发现，这个问题变得越发深刻。



图解:艺术家对WASP-18B的图解，这颗行星约为木星质量的十倍，距离地球约330光年，右下角为光学和X射线数据。来自：NASA/Chandra
尽管天文学家和科学家们长期以来一直怀疑我们银河系和宇宙中的其他恒星系统有自己的运行轨道，但直到过去几十年，相关现象才被观察到。随着时间的推移，探测这些“太阳系外行星”的方法已经有所改进，而且已经被确认的恒星的名单也相应扩大（接近2000！）
定义：
一颗太阳系外行星，也被称为系外行星，是一个围绕着一颗恒星（即太阳系的一部分）运行的行星，而不是围绕太阳运行。我们的太阳系只是几十亿个太阳系中的一个，许多其他太阳系很可能也有自己的行星系。早在十六世纪，就有天文学家假设过太阳系外行星的存在。
该假说最早被记录提及的是意大利哲学家乔尔丹诺·布鲁诺，他是哥白尼学说的早期支持者。除了支持地球和其他行星绕日运行的观点（日心说）外，他还提出了固定恒星与太阳相似，该类行星也伴随着行星的观点。
图解：迄今为止在我们宇宙中发现的潜在可居住的系外行星名单。来自：phl.upl.edu
十八世纪，艾萨克·牛顿在包含了他发现的所有原理的“一般训诂”栏目中提出了类似的建议。他将系外行星与太阳的行星进行比较并写道：“如果固定恒星是类似太阳系统的中心，它们将按照相似的构造排布，并由一个中心支配。”
自牛顿时代以来，人们提出了各种各样的理论假说，但都被科学界当作谬误排斥。在1980年，一些天文学家声称已在附近的恒星系统中找到了一些太阳系外行星，但直到几年后它们的存在才被确认。



首次发现：
太阳系外行星如此难以探测的原因之一，是它们甚至比其所环绕的恒星还要微弱。此外这些恒星发出的光会“掩盖”行星，即阻碍对行星的直接观测。因此，直到1992年天文学家Aleksander Wolszczan和Dale Frail使用波多黎各阿雷西沃天文台观测到几个绕脉冲星PSR B1257＋12的地面质量行星时，系外行星才第一次被发现。
直到1995年，人们才首次确认了有一颗系外行星正围绕一颗主星序恒星运行。被观测到的行星是51帕斯加里B，这是一颗巨大的行星，它被发现在围绕太阳周期为四天的轨道中，类似恒星51 Pasasi（离太阳约51光年）。
最初，大部分被探测到的行星都是与木星质量相似或大于木星的气体巨星，这导致了“超级木星”一词被创造出来。但这并不是暗示气体巨星比岩石（即“类地”）行星更普遍，这些发现仅仅是因为接近木星大小的行星因其大小而更易被探测到。



开普勒任务：
该任务以文艺复兴时期天文学家开普勒命名，开普勒空间观测站于2009年3月7日由NASA发射，目的是探索环绕其他恒星运行的类地行星。该任务作为NASA发现计划的一部分，属于一系列相对低成本的科学研究项目，开普勒任务是调查银河系的一部分，以发现太阳系外行星的证据，并估计银河系中有多少恒星具有行星系统。
开普勒任务的唯一工具是一个光度计，它依靠经纬仪的探测方法（见下文），在固定的视场内连续监测超过145000颗主序列恒星的亮度。这些数据被传回地球，科学家们在地球上进行分析，寻找太阳系外行星在其主星前凌日（经过）时引起的周期性变暗迹象。



图解：柱状图显示了近20年来每年发现的行星数量，并根据探测方法进行了细分。
截至2015年1月，开普勒及任务其后续观测发现在440个恒星系统中确认了1013颗系外行星，另有3199颗候选的未确认行星。2013年11月，天文学家根据开普勒太空任务的数据报告，推测银河系内类太阳恒星和红矮星的可居住区内可能有多达400亿颗地球大小的行星在运行。据估计，这些行星中有110亿颗可能是围绕太阳运行的恒星。
开普勒任务最初的计划时长为3.5年，但行星数量比预期的结果更大，导致了任务的延长。2012年，该任务预计将持续至2016年，但由于航天器的一个反作用轮（用于指向航天器）发生故障，情况发生了变化。2013年5月11日，四个反作用轮中的第二个失灵，导致科学数据收集无法进行，并威胁到任务的继续。
2013年8月15日，美国航天局宣布放弃修复这两个失败的反作用轮的尝试，并相应地修改了任务。美国宇航局建议将开普勒用于探测更小、更暗的红矮星周围的可居住行星，而不是弃用。该提案于2014年5月16日获得批准，被称为K2“第二光”。
可居住行星：
太阳系外行星的发现也增强了人们寻找外星生命的兴趣，特别是那些在主星可居住区内运行的生命。该区域也被称为“金发带”，是太阳系的区域，足够温暖（但不过度温暖），因此液态水（和生命）可能存在于行星表面。



图解：根据波尔多大学弗朗克·塞尔西斯的研究成果绘制的太阳系（上一排）和格利泽581系（下一排）的可居住区图。来自：ESO
开普勒任务确认的第一颗行星的平均轨道距离恰好在其恒星可居住区域内，KePLer-22b。这颗行星距离天鹅座的地球约600光年，在2009年5月12日首次观测到，在2011年12月5日被确认。根据所有获得的数据，科学家认为该世界大约是地球半径的2.4倍，很可能被海洋覆盖，或者有液态或气态外壳。
在开普勒任务部署之前，绝大多数已确认的系外行星都为木星大小或更大的范畴。然而，截至2014年3月，开普勒已经确定了超过2900个行星候选，其中许多属于地球大小或“超级地球”大小的类别。其中许多位于母星的可居住区，有些甚至位于类太阳恒星的周围。
检测方法：
虽然一些外行星已经可以通过望远镜直接观测到（一个称为“直接成像”的过程），但绝大多数都是通过间接方法探测到的，例如中转法和径向速度法。
通过凌日法，行星在其母星盘的前面横过路径（即过境）时被观测到。当这种情况发生时，观测到的恒星亮度会小幅下降，该现象可用来测量和确定行星的大小。
过境法揭示了行星的半径，有利于通过光谱研究行星的大气。然而，它存在相当大的假阳性率，并且通常要求行星的轨道的一部分与主星和地球之间的视线相交。

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图解：2009年直接探测到的太阳系外行星βpictoris b。来自：ESO
因此行星系，通常有必要用另一种方法进行进行双重确认。尽管如此，它仍然是最广泛使用的探测手段，并且通过该方法发现的系外行星比所有其他方法的总和更多。开普勒望远镜也是使用的这种方法（见上图）。
径向速度（或称多普勒方法）包括测量恒星的径向速度，即它向地球移动或离开的速度。这是一种探测行星的方法，因为作为行星轨道的恒星，它们施加的引力会使恒星自身在围绕系统中心的小轨道上产生移动。
这种方法的优点是适用于具有广泛特性的恒星。它的缺点之一是它不能确定行星的真实质量，只能确定质量下限。但它仍然是寻找太阳系外行星的第二有效的技术。
其他方法包括渡越时间变化（TTV）和重力微透镜。前者依赖于测量一个行星的过境时间的变化，以确定其他行星的存在。这种方法在确定一个系统中存在多个过渡行星是有效的，但要求至少存在一个已经被证实的行星。
在另一种方法中，日食双星中日食的定时可以探知到一颗围绕两颗恒星运行的外部行星。截至2013年8月，已经通过该方法发现了一些行星，从而得到更多的证实。



图解：每年2014年9月太阳系外行星的发现数量，颜色指示检测方法-径向速度（蓝色），过境（绿色），定时（黄色），直接成像（红色），微透镜（橙色）。来自：公共域
在引力微透镜的情况下，即通过恒星引力场的作用，像透镜一样放大远处背景恒星的光。围绕这颗恒星运行的行星会随着时间的推移在放被放大后引起可察觉的异常，从而指示它们的存在。这项技术在探测类似太阳的恒星轨道较宽（1-10aus）的恒星时是有效的。
还有其他的方法存在并被单独或联合使用，并探测和确认了上千颗行星。截至2015年5月，已确认1214个行星系中共有1921颗行星，以及482个多行星系。
未来的任务：
随着开普勒任务的结束，以及其在短时间内做出的诸多发现，NASA和其他联邦航天机构计划继续寻找太阳系外行星。该任务将在开普勒任务的基础上进行，包括在2017的某个时间计划发射的外行星探测卫星（TESS）和杰姆斯韦伯太空望远镜，其将于2021十月部署。



图解：2013年1月2日：天文学家估计银河系可能包含多达4,000亿颗系外行星，这几乎是每一颗恒星都有一颗行星。
此外，欧洲航天局（ESA）希望继续使用于2013开始运行的GIA-航天器绘制银河系（包括系外行星）的相当一部分。由美国航天局参与的赫歇尔空间天文台和欧空局的任务已于2009年开始运作，预计也将在未来几年作出许多有趣的发现。
有一个宇宙在那里被发现，而我们几乎没有触及其表面。
如今关于宇宙有许多有趣的文章，从发现的第二小系外行星到围绕大质量恒星观察到的行星形成。有关开普勒空间天文台的更多信息行星系，请访问美国宇航局的开普勒主页。
您还应该看看前十大系外行星和系外行星目录。美国宇航局的系外行星科学研究所也有一个很好的网站，叫做美国宇航局系外行星档案馆，它是在加州理工学院的帮助下维护的。
天文学演员正在寻找其他世界的连续剧里开疆拓土。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. Matt Williams- Charlene-碎瑜之喜
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