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找不到地球2.0?可能正是因为有地球1.0

北极蚊子 2017-9-8 10:40

寻找地球2.0是我们的梦想,但……

艺术家描绘的“类地”行星。ESO

寻找地球2.0是我们的梦想。在这方面,天文学家和外星人的粉丝们不免有些过份乐观,但这是可以理解的。在浩如烟海的繁星之间,漂浮着数不清的行星。期待这些行星中能有一两个是地球的翻版似乎并不过份。请注意,我们要寻找的是地球的翻版,是另一个地球,是地球2.0,而不仅仅是“像”地球。

全世界的行星猎手们无疑将此视为最高目标。在我们太阳系的周边,是否存在这样一颗行星?它是岩石质的,盘旋在恒星的宜居带内,有大气,有液态水。许多人对此是乐观的。但最近俄罗斯圣彼得堡普尔科沃天文台的天体物理学家Alexey G. Butkevich认为,我们找到地球2.0的难度可能非常之大,而原因竟然就出在我们所生活的地球1.0身上。

Butkevich的研究结果发表在了近日的《英国皇家天文学会月刊》上,论文题为《系外行星的天体测量法鉴别率和地球的轨道运动(Astrometric Exoplanet Detectability and the Earth Orbital Motion)》。文中,Butkevich博士通过分析认为,地球轨道位置的变化,会增加我们测量恒星相对于其所在天体系统质心运动参数的难度。

文中的观点,是围绕着所谓的“天体测量法(Astrometic Method)”进行阐述的。这是一种探寻系外行星的方法,主要通过检测恒星围绕着它所在天体系统质量中心的运动来感知行星是否存在。如果存在着行星产生的引力场,那么恒星就会来回摇摆。太阳系就是这样,在行星引力场的作用下,太阳会围绕着太阳系的质量中心摇摆。

这种方法以前常常被用来识别双星,近几十年才被当作一种探寻系外行星的有效方法。由于距离遥远,要检测出恒星的摇摆并不是一件容易的事。即便是现在,要检测到恒星位置的细微变化,仍需要极为敏感的设备。

所幸技术的进步让这一切得到了快速改变。最新的设备精度已达微角秒级。比如欧空局的盖娅探测器,2013年升空的它,不但为银河系中的10亿颗恒星编了目,还对它们的相对运动参数进行了测量。鉴于它的测量精度高达10微角秒,用它来寻找系外行星似乎是一件可以完成的任务。

Kepler-22b是一颗半径和地球相似的系外行星,它位于其恒星的宜居带。NASA

但是Butkevich说,用天体测量法来寻找行星存在着一个非常大的障碍。标准的天体测量模型建立在一个假设的基础上,这个假设就是恒星相对于其所在天体系统质心的运动是均匀的。但是地球的轨道运动会给天体测量法带来一种效应,使得地球的轨道位置和恒星相对于其所在天体系统质心的位置之间产生关联。

换句话说,Butkevich博士分析的,是地球绕行太阳的运动和太阳围绕其质心的运动,是否会抵消我们对任意恒星的视差测量结果。如果是这样,那么它会使得我们测得的恒星运动参数部分甚至是全部失效。而我们正是依靠这些参数才能获知恒星周围是否有行星存在。

结果是令人失望的。尤其当恒星周围的行星轨道周期正好等于一个地球年,且其轨道平面与其恒星的黄道面十分接近,也就是说它的公转方式和地球十分相似的情况下,这一效应最为明显。在这种情况下,天文学家根本不可能通过天体测量法找到地球2.0,这是地球的轨道运动方式和太阳的摆动导致的结果。

探寻系外行星可能要考虑我们的太阳围绕质心摆动产生的影响。NASA

幸运的是,系外行星猎手们还有其它方法可以用。这些方法中既有直接检测法,也有间接检测法。在太阳系周围寻找系外行星的行动中使用得最多也最有效的两种方法一是“径向速度法”,它测量的是恒星的多普勒效应;另一种就是所谓的“凌星法”,它测量的是恒星亮度的细微变化。虽然这两种方法也都有各自的缺陷,但了解局限性已经是走向完善的第一步。

Butkevich的研究是对“日心说”和相对性的一种呼应。我们应该时刻意识到,我们的空间视角并不是固定的,而这种变化也会对我们的观测结果产生影响。

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