嚴肅地八一八這顆比冥王星還紅的星星：它是這麼被發現的

2015 年 7 月 23 日，NASA 宣布發現 Kepler-452b 意味著什麼？

胡曉，搞天文的軍事雜家

PS：看到不少網友想知道 Borucki 爺爺的故事，2012 年底 Discover Magzine 曾經對他做過一次專訪，果殼曾有一篇很不錯的編譯稿，我覺得我寫起來肯定沒這個好：

Planet Hunter （英文）

送望遠鏡上天，去尋找外星行星！ （果殼）

這次發現中最主要的一個是：目前發現的第一顆圍繞類似太陽恆星的，處於宜居帶的質量比較接近地球的系外行星，編號 Kepler452b（b 代表是這個系統中距離主恆星最近的行星）。也就是說，這是目前最接近日 - 地系統的系外行星系統。

一同發布的還有 500+ 的行星候選者（planet candidate，就是粗看跟行星的觀測數據很像，但需要進一步確認的），其中有 11 顆都很可能是位於宜居帶的半徑在 1 到 2 倍地球半徑的行星。

因為是 Kepler 的數據，所以這個系統位於天鵝座，距離我們大約 1200 光年（感謝評論中有人指出錯誤，應為 1400 光年） 。直接去是不太可能了，不過距離我們最近的系外行星就位於三體世界：半人馬座

是一個三星系統，中文名南門二，2012 年的一篇文章表明，其中的 B 星基本確認有一顆行星。這顆行星距離主恆星只有 0.04 天文單位，公轉周期三天多一點，表面溫度超過一千攝氏度，所以差不多常年處在類似「三日凌空」的溫度，相比之下，這次發現的 452b 處在一個溫和得多的環境中。

只能說 NASA 的確越來越善於搞個大新聞了，數據第一次發布之前就把渲染圖做好了：這個圖倒是挺準確，這顆行星圍繞的恆星 Kepler452（注意沒有 b）比太陽大一點，老一點（年齡 60 億年），這顆行星直徑比地球大約 60%，質量大約是地球的 5 倍。

最上面是早先發現的 Kepler-186 系統，中間就是這次的 Kepler-452b，最下方是太陽系。綠色寬圓環代表這顆恆星的宜居帶。這次的恆星因為比較亮，所以宜居帶也比較寬，而 452b 的跟地球差不多，都位於宜居帶靠內的位置，周期只比地球長一點，385 天。

Kepler 探測行星的方法聽起來非常簡單粗暴：行星軌道若處於恆星視線附近就會產生遮擋，如果能探測出周期性的亮度變化就可以得到行星的周期（在排除其他可能性的情況下）和行星相對恆星的大小。如果有多顆行星，它們之間的微擾會導致凌星周期的變化，利用這一點在加上一些動力學計算 / 模擬，可以更好地約束它們的軌道參數，甚至推出未發現的行星。

很容易看出的是，凌星法需要長周期的持續觀測，但地面上由於天氣變化，很難提供一個穩定的亮度數據，所以最好的辦法還是上太空。2009 年，Kepler 發射，目前為止，它一共給我們貢獻了超過 1000 顆確認的系外行星！

這六年時間裡，Kepler 在繞日軌道上始終指向天鵝座附近的天區。而在每個觀測周期內（長達數月），Kepler 的指向精度是 sub-pixel 級別：每顆恆星始終位於同一顆像素上！直到 2013 年八月，三顆陀螺儀（記錯了，實際應該是調整姿態的反作用輪）中有一顆故障，此後便轉向其他目的的觀測（例如星震）。

Wikipedia 上一副不錯的統計圖，綠色是凌星法發現的行星數量，藍色是 RV。當然，這裡的日期並不是觀測日期，而是數據經過分析後確認發布的日期。2014 年忽然冒出來 700+ 顆「確認」的系外行星，作為曾經處理過 Kepler 數據的人我有點懷疑結果的可靠程度。

如果只靠 Kepler 的數據，那麼你能確認的只有行星的半徑（誤差不小）和行星的周期（相當準確）還有就是軌道傾角的最小可能值（通常都很小）。因為 Kepler 靠的是凌星法，關於行星的直接數據只有行星擋住恆星那短短的瞬間，所以無法獲得全面的動力學數據（比如非常重要的行星質量，還有軌道半徑和離心率）。那些大眾們更關心的，比如是否有液態水，是否有生命，是固態行星還是液 / 氣態行星都是沒法確認的。

那 NASA 是怎麼知道這些數據的？靠的是後續觀測，模型擬合和合理推測。

後續觀測：由於大多數系外行星沒法直接觀測到，目前對於行星性質的推斷都極大依賴於主恆星的數據。這次為了更好地確認 Kepler-452b 的性質，還利用了幾個地面望遠鏡，所以才能把主恆星的質量定得比較精確。在未來，隨著更大口徑的設備的出現（三十米望遠鏡， 平方千米天線陣列之類），有可能對系外行星大氣進行比較精確的光譜觀測，這樣就可以確定大氣成分，是否有生命乃至有工業文明都是有可能判斷出來的。

模型擬合：即使對於恆星，在不知道行星軌道數據的情況下你也沒法直接測量質量。目前的主流辦法是利用多色測光得出恆星的光度和光譜型，帶入已有的恆星模型中推出恆星質量。對於行星質量更加複雜一些，如果是個多行星系統，可以靠他們之間的引力影響得出精確的掩星時刻，然後去擬合觀測數據。單顆行星基本只能靠大小去推測了。

合理推測：這次行星的半徑是地球的 1.6 倍，根據目前的行星模型，這樣大小的行星不太可能是液態或者氣態行星。這兩種行星都需要一個固態核來吸引足夠的液態氣態物質，而通常單單一個固態核就已經超過了這個大小。所以很可能是跟地球差不多的岩石行星。既然是岩石行星，密度應當跟地球接近，考慮到引力對密度的壓縮，實際密度可能更大，1.6^3~4，所以 5 倍是個不錯的推測。這種質量的行星應當由足夠的引力維持一個穩定的大氣，所以只要溫度合適，表面存在液態水的可能性是非常大的。 不過考慮到它已經相當接近宜居帶的內側，可能已經出現過過度的溫室效應，這樣它的表面就會變成金星那樣，很不好玩兒。當然以上都是我個人的推測，具體還得看 ApJ 上的 paper。

吐槽一下，這種 paper 都沒發就召開發布會的真是太討厭了，搞得業內人士想裝逼都沒資料可查。

去年 arXiv 曾有一位 Hubble Fellow 的文章，根據徑向速度法對 Kepler 行星的後續觀測結果進行了貝葉斯統計研究，結果表明大多數 1.6 倍地球半徑的 Kepler 行星都不是岩石行星，不過這篇文章是基於軌道周期小於 50 天的行星數據做出的統計，對於這次長周期的 Kepler-452b，倒是不一定適用。

關於宜居帶，基本是根據「既不太熱也不太冷」的原則划出來的，當然會考慮到具體的波長範圍。大多數情況下，宜居帶只能算是一個非常粗略的估計。

順便說一句，Kepler 的頭號功臣，Bill Borucki 於本月初剛剛退休，他和 Kepler 的故事可謂跌宕起伏，足夠寫成一部小說。

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