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update: 2024/5/14
更新日期: 2024/5/14
origin: 2011/04/02
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美科學家研究:銀河系適居行星數量低於預計
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新浪環球地理訊 北京時間4月1日消息，據美國國家地理網站報道，美國科學家進行的一項新研究發現，我們所在的銀河系可能至少擁有20億顆類地行星。研究論文作者指出，但我們沒有必要馬上對這些世界進行“殖民”，因為這一數量實際上遠遠低於很多科學家的預計，我們很難在銀河系尋找到“第二地球”。
數量相對稀少
這一估計立基於美國宇航局開普勒太空望遠鏡的觀測數據，在設計上，開普勒望遠鏡用於搜尋在恒星前方穿過的行星。根據這架望遠鏡的觀測數據，研究論文作者認為銀河系的類日恒星中最多只有2.7%擁有所謂的類地行星。
宇航局位於加利福尼亞州帕薩迪納噴氣推進實驗室的科學家、研究論文合著者喬·卡坦扎利特表示：“銀河系的類日恒星數量大約在1000億顆左右，其中只有2%左右擁有類地行星。也就是說，銀河系的類地行星數量在20億顆上下。宇宙中與銀河系類似的星系有500億個左右，如果每一個都擁有20億顆類地行星，就太令人不可思議了。”
卡坦扎利特和另一位合著者——同樣來自噴氣推進實驗室的邁克爾·肖指出，這一數字似乎非常巨大，但他們的研究結果顯示類地行星實際上“相對稀少”。如果事實果真如此，這也就意味著科學家應該為未來研究類地行星化學信號的任務鎖定適當的恒星目標。通過研究化學信號，科學家能夠確定行星是否擁有氧氣、液態水或者生命跡象。
如何確定適居行星？
自2009年以來，開普勒望遠鏡便開始觀測天鵝座附近的太空區域，對這一區域內的15.6萬顆恒星發出的光線進行觀測。借助於所攜帶的儀器，這架望遠鏡可以確定恒星的亮度是否週期性變暗。發生這一現象說明存在繞恒星軌道運行的天體。截至2011年2月，開普勒望遠鏡已經發現了15顆新行星以及1235顆“行星候選者”，其中包括迄今為止在太陽系外發現的體積最小的行星。
天鵝座附近區域可以被當成一個代表性樣本，根據這個樣本推測銀河系的類地行星數量。為了推斷可能的“第二地球”數量，卡坦扎利特和邁克爾首先根據“開普勒”獲取的兩種資訊判定類地行星，一個是行星的體積，另一個是行星與所繞恒星之間的距離。
卡坦扎利特說：“1993年一項著名的研究計算了所謂的適居區的類內類間距離。這一區域既不太熱，也不太冷，允許行星表面存在液態水。最近有科學家指出這些界限有些保守，距離也許可以再近或者再遠一點。由於溫室氣體的存在，行星即使距離再遠一點，仍是一個較為溫暖的世界，由於雲層存在——此前的模型並未將其考慮在內——即使再近一點，表面仍可保持涼爽。”擁有一條類似地球的軌道似乎最為理想。他說：“如果行星與所繞恒星間的距離低於地日距離，你就會被烤焦，水則變成蒸汽；如果過遠，水則凍成冰。”
接下來，卡坦扎利特和邁克爾將目光轉向行星的體積，並以地球半徑(行星中心與表面之間的距離)作為參照。卡坦扎利特說：“人們普遍認為體積最小的適居行星體積應為0.8個地球半徑，或者說品質大約相當於地球的一半。原因在於：如果品質過低，行星無法保持氧氣的存在。達到2個地球半徑的便已是最大的類地行星。如果品質過大，行星便開始聚集氫氣，就像海王星或者天王星一樣，與此同時，大氣壓也讓人無法呼吸。”
通過數學模型，卡坦扎利特和邁克爾根據體積和半長軸對“開普勒”發現的行星和行星候選者進行製圖。行星的半長軸是指行星與所繞恒星間的平均距離，能夠揭示出行星是否處在適居區。數學模型同樣將這樣一個事實考慮在內，開普勒望遠鏡只能觀測到以我們能夠觀察到它們在恒星前方穿過的方式排列的行星。可能存在我們未能觀察到的其他行星，原因就在於它們的軌道傾斜。為此，研究小組利用此前的係外行星數據，評估這些無法觀察到的行星存在的可能性。
研究結果顯示，根據傳統的適居區邊界，1.4%的類日恒星擁有類地行星。如果擴大適居區的邊界，則有2.7%的類日恒星擁有類地行星。研究發現于3月刊登在arXiv.org上，同時遞交《天體物理學雜誌》。基於這些數據，研究論文作者得出結論，開普勒將最終在所觀測區域發現12顆類地行星。在已發現的候選天體中可能就有4顆類地行星。
類地行星普查並不完善？
其他行星搜尋者表示，現在就判定存在多少“第二地球”還為時尚早。麻省理工學院行星科學家、開普勒項目成員薩拉·肖格指出：“這項研究完全低估了類地行星的可能數量。”計算銀河系類地行星數量不得不立基於大量假設，“開普勒”的任務剛剛開始，所獲得的觀測數據並不完整。她說：“如果對美國進行人口普查，你應該去加利福尼亞州，敲門每一扇門，這樣才能推斷出其他地區的人口數量。這也是開普勒望遠鏡正在做的工作。”
此項新研究僅僅建立在對外公佈的“開普勒”最初4個月的觀測數據基礎之上，這就如同在加州進行人口普查時只統計兒童人數，而後推斷整個美國的人口數量。開普勒望遠鏡至少要進行3年半的行星淩日數據收集工作，允許科學家在以後進行更為完整的行星普查。肖格說：“如果開普勒望遠鏡能夠在未來幾年找到這個問題的答案，我更願意等待，而不是進行推斷。”
類地行星數量可能低估
另一個不得不考慮的問題是，根據開普勒望遠鏡獲取的數據，我們無法判斷一顆給定行星是否就是類地行星。單從體積判斷，不足以確定適居性。肖格說：“地球和金星的體積和品質相當，並且都處於太陽系的適居區，但金星並不是一顆適於居住的星球。在我看來，類地行星必須擁有與地球類似的品質、體積和軌道並且表面有液態水存在。在進行大氣研究前，我們無法得出準確的結論。開普勒望遠鏡只發現了與地球體積相當的行星，我們永遠不能將其稱之為‘類地行星’。”
卡坦扎利特表示早期的研究需要進行一些推測，但推測也能產生積極作用，因為“最合理的估計”能夠幫助天文學家設計適當的任務，以在未來確定一顆給定的行星是不是“第二地球”。他說：“一些人認為類地行星數量可能超出預計。肖格的觀點可能是正確的，我們得出的新估計可能過低，但是否真的如此現在還是一個未知數。”
一個能夠改變卡坦扎利特所得估計的因素是，開普勒望遠鏡並不能觀測到一些行星的淩日現象。他說：“我們做出這樣的假設，即在對15.6萬顆恒星進行觀測時，開普勒望遠鏡能夠觀測到所有擁有類地行星半徑和軌道距離的較小行星。如果開普勒望遠鏡無法做到這一點，我們便低估了類地行星的數量。在開普勒任務結束後，我們將採用同樣的方式對所有開普勒數據進行研究，以得出一個更為準確的數字。”