凌日新技術有望助科學家找到地外宜居行星

在雙行星系統中，由於外層行星的重力作用，內層行星軌道出現偏差。

　　當系外行星獵人日前宣布發現了一簇「迷你海王星」時，他們要強調的不僅僅是系外行星的多樣性。之前，這種最輕的行星從未在太陽系以外被發現過。科學家於美國天文學會會議上宣布的這些結論還顯示了一種藉助行星「凌日」計算系外星球質量的很有前途的方法的力量。

　　這個名為「凌日時刻變化」（TTV）的新技術使得天文學家能夠將美國宇航局開普勒太空望遠鏡發現的數十顆系外行星的圖景填充完整。

　　開普勒傳回的數據僅揭示了一顆行星的大小和軌道周期。要想知道它是岩石、氣體還是這兩種物質的混合物，天文學家還需要知道它的質量。習慣上，他們會求助於陸基望遠鏡，通過測量相關恆星的擺動得到數據。但是TTV能夠僅憑藉開普勒傳回的數據就確定星體的質量。

　　「我們已經進入TTV時代。」馬薩諸塞州劍橋市哈佛-史密森天體物理學中心天文學家David Kipping說，「我們要找到地球的同胞姐妹，最好的方法就是藉助凌日時間變分法獲得星體的質量，這對理解目標星球是否真正是地球2.0至關重要。」正是Kipping宣布了這顆名為KOI-314c的輕質量系外行星的存在。

　　TTV是由哈佛大學天體物理學家Matthew Holman及同事設計出來的。如果兩顆或更多的行星碰巧近距離圍繞一顆恆星運行，他們判斷，星球彼此間的重力拖拽將改變它們的軌道周期。如果其中一顆行星是凌日行星——當它穿過恆星和其他行星之間時，會使母星的光線變暗，天文學家將發現其通過時間隨多樣化的軌道而改變，這就泄露了行星同伴的信息。如果兩顆行星都是凌日行星，天文學家就能通過測量它們的軌道擾動，計算出行星質量。

　　2005年，Holman及其同事發表了這一理論，西雅圖市華盛頓大學的Eric Agol和同事幾乎同時提出了一個相似的方案。但數年之後，天文學家未能發現凌日時間變化現象，因為幾乎所有的已知系外行星都是氣態巨星，僅圍繞母星徘徊。理論家認為，此類行星在距離恆星較遠的位置形成，之後進入這裡，清除了產生搖擺的潛在同伴。

　　多虧開普勒太空望遠鏡，使得該方法從理論走嚮應用。直到2013年，該望遠鏡觀測到16萬顆恆星的亮度資料，發現了凌日行星帶來的亮度變化跡象。開普勒還發回了數十個行星系的數據，其中許多包含多重行星。

　　實際上，自2010年起，天文學家開始進行TTV信號檢測。從那時到現在，他們的經驗一直在增加。

　　Kipping及其同事在梳理開普勒傳回的有TTV跡象的數據時，無意中發現了KOI-314c。但是恆星KOI-314是一顆距離地球200光年的紅矮星，其周圍的凌日數據指示出兩顆行星的存在。它們的運行時間同步變化：當一顆行星公轉減速時，另一顆行星就加速，反之亦然。「我們發現了相同的TTV跡象，相互間此消彼長。」Kipping說，「很顯然這兩顆行星相互影響。」

　　通過計算機模擬，研究人員計算出了這兩顆行星的質量。他們發現KOI-314c每23天繞其母恆星一周，質量與地球相似，儘管其半徑比地球大了近60%。Kipping研究小組推斷，這顆行星（迄今為止發現的最輕的系外行星）有一個岩芯和厚厚的氣態大氣層。內行星KOI-314b也具有類似的尺寸，但質量是前者的4倍。

　　同時，伊利諾伊州西北大學天文學家Yoram Lithwick領銜的研究小組也分析了開普勒發現的163顆系外行星的TTV特徵。該研究小組確定，其中大約60顆行星的質量範圍在地球到海王星之間，並且比同質量岩石行星的預期尺寸大得多，這表明它們被濃密的外層大氣所包裹。

　　研究人員還發現這樣一種模式：行星半徑越大，其密度就越小。「如果你讓一個東西變成兩倍大，那麼它的密度就是原來的四分之一。」Lithwick暗示，這個驚人的發現「將對理解行星的形成產生巨大影響」。

　　Kipping 注意到，有關TTV最好的事情是，它能夠從開普勒數據中被梳理出來。它也能發現距離恆星過遠無法探測到晃動的行星的質量，從而幫助尋找類似地球的宜居星球。Kipping說，「凌日時刻變化技術的美麗在於，無論它距離母星有多遠」，都能計算出行星的質量。不過，Holman也表示，「我不會期望TTV能夠產生非常高的精度」。（來源：中國科學報）（編輯鄒長森）

作者： 張章
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