问伊森:开普勒望远镜看到了多少个行星?


开普勒望远镜的图像

我们的星系中有多少个行星? 30年前,对这一问题的答案在于纯粹的猜想领域,因为那时我们还没有在太阳系之外找到一个行星。 如果您今天倒带,事实证明我们已经直接找到了数千个这样的行星-其中大多数是由NASA开普勒任务发现 。 但是,尽管开普勒取得了所有成功,也获得了所有这些新发现,但他错过的最有趣的行星仍然存在。 有几个? 我们的读者Rudy Siegel(不是亲戚)想知道:
由于开普勒使用过境方法检测系外行星 ,由于黄道平面不匹配,我们跳过了多少?

答案由两部分组成:我们错过了99%的此类行星,但是错过其中大多数的原因与黄道的对准无关。


开普勒发现的行星种类繁多。 行星趋向大尺寸并靠近恒星

开普勒望远镜的工作原理是三年内每天观测我们银河的一小部分,直到初步任务的截止日期为止。 他看着一根螺旋臂的其中一部分,尽管视野很窄,但他立即观看了15万颗恒星,跟踪了它们亮度的微小周期性变化。 具体来说,如果该恒星在短时间内变得有点暗淡,然后又恢复到其原始亮度,此后一段时间又重复了这样的循环,则该事件被认为是该行星的候选者。


左侧是主要的过境点,右侧是KOI-64系外行星的发现

这种方法被称为发现系外行星的过境方法。 太阳系相对于我们的方向可以是任何方向,但有时我们会发现其中一个行星绕着恒星运动,从我们的角度来看,恒星与我们的视线成一条直线。 但是亮度暂时降低会导致其他现象:
  • 来自太阳系内柯伊伯带的一颗飞行小行星;
  • 星际空间深处的孤行星
  • 双星系统,其中一个覆盖另一个;
  • 恒星本身的光度的内部可变性-例如,较大的冷暗点。



2006年,水星通过了太阳,但是太阳盘上的一个大斑点大大降低了它的发光度。

但是,如果再次重复这种相同程度的发光度失败,甚至重复多次,那么它将成为使用其他方法进行后续观察的极佳候选者。 到目前为止,开普勒确定的行星候选者中大约有一半是真实的行星-并且已经有数千颗。 对于开普勒的视野而言,对于研究的15万颗恒星而言,这并不是很多。 读者的直觉是正确的-黄道的巧合确实极大地影响了这一点。


开普勒的视野中大约有15万颗恒星,但只记录了几千颗。 从理论上讲,几乎所有这些恒星都应该有行星。

恒星可以是相当大的天体-即使最小的恒星,其直径也超过100,000公里,但与行星的距离却很大,沿着主要的半轴距离从数百万到数十亿公里。 在我们的太阳系中,离太阳最近的行星是水星,它经常通过太阳圆盘。 但这仅仅是因为太阳系中的所有行星都大约在同一平面上! 如果我们在太阳系之外,我们将相对于黄道平面处于随机方向,并且只有很小的方向我们才能看到水星的通过。

图片
行星/度数范围/飞机成功重合的机会。
从空间的任意位置开始,给定与每个行星的相对大小和轨道距离,与太阳相比,您可以计算出看到该通道的机会。 离太阳越远,机会就越少。 在计算表格时,未考虑时间和尺寸。

我们可以从太阳系中计算出每个行星的分数,并发现我们离恒星越近,机会就越大。 甚至水星也只有不到1%的机会与观察者处于同一平面,到2000年,当您进入木星的轨道时,其几率将为1。显然,开普勒错过了大多数行星,而通道方向在这里起着重要的作用。

但是还有其他因素,其重要性可能更大。


开普勒的设计目的是观察行星通道,但即使是绕恒星运动的大行星也只能阻挡一小部分光,从而使其亮度降低不超过1%。 相对于其母恒星,行星越小,为了获得可靠的信号,您需要越走越多的通道。

大小也起着重要作用-相对于其母恒星而言,过去行星的大小。 如果系外行星在飞行过程中覆盖了母星表面的1%,开普勒将很容易看到它。 如果它覆盖了表面的0.1%,他将需要经过10次轨道才能积累具有可比可靠性的信号。 水星大小的行星100%太小,无法在类似太阳的恒星旁边看到。 对于火星大小的行星也是如此。 开普勒发现的最简单的方法就是看到绕着最小恒星的轨道上最大的行星。


截至2016年5月,开普勒发现的行星数目按大小排序,当时科学家发布了最大的行星清单。 最常见的是,发现了诸如超地球或小型海王星之类的行星,只有一小部分行星比地球大。

最后,还有一个时间问题。 开普勒的任务持续了三年,因此她可以更频繁地发现发生全面旋转的行星的几次通过。 开普勒看不到我们太阳系中所有的天然气巨头,尽管它们的规模很大! 如果将它们放在一起,我们将看到必须收敛的几个基本参数,才能使开普勒发现地球:
  • 从我们的角度来看,行星系统的方向必须足以使被观察的世界穿过其恒星盘。
  • 相对于恒星的大小,行星应该足够大,以便在给定的通过次数下,它会阻挡大量的光。
  • 该行星必须足够靠近母恒星,以便在观察期内至少经过两次。



尽管开普勒发现了地行星,但大多数开放行星竟然比地球大,并且比地球更靠近恒星-只是最容易找到这类行星。

从发现的行星中推断出行星的数量,然后根据星系中的恒星数量来计算应该有多少个行星,这是一个很大的诱惑,但是我们没有相应的数据。 我们测量了整个行星山,根据距离与轨道周期的关系,我们可以自信地说行星数量与恒星数量的比至少比我们看到的大1000倍。 但是我们对于银河系的外边界没有足够的数据。 使用我们可用的方法,我们将不得不进行数百年的研究才能了解哪张照片是典型的。 但是还有另一个机会。


LUVOIR空间望远镜的概念图将位于拉格朗日L2点,它将扩大直径为15.1 m的主镜,并开始探索宇宙,将我们在天文学和科学领域知识的丰富知识传递给我们

借助巨型麦哲伦望远镜欧洲超大型望远镜等30米望远镜,由于它们反射的光线,它们应该可以直接看到外部世界,而梦境机器LUVOIR(10-15 m级的望远镜)可以为我们提供有关行星的信息,而这些信息是当前不可能实现的技术。 [ LUVOIR不是特定的设备,而仅仅是对新级别望远镜的一组要求和要求。 该类的代表是,例如ATLAST项目,但它将不早于2035年(大约)启动。 佩雷夫 ]。 并且,直到我们掌握了有关空间的某些数据,我们才可以施加下限并进行估算。 现在人们相信,在我们的银河系中,有数万亿个行星-但我们不想知道,而是想知道。 运气适中,投资不算大,而且付出了很多努力,我们可以在短短几十年内得到这个问题的答案。

伊桑·西格尔Ethan Siegel) -天体物理学家,科学普及者,《爆炸的开始》的作者! 他写了《超越银河》( Beyond the Galaxy )和《追踪学:星际迷航的科学》( Treknology )一书。

常见问题: 如果宇宙在扩展,为什么我们不扩展 为什么宇宙的年龄与其被观测部分的半径不一致

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN411075/


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