2015 年 7 月 23 日，NASA 宣布发现 Kepler-452b 意味着什么？ 胡晓，搞天文的军事杂家 PS：看到不少网友想知道 Borucki 爷爷的故事，2012 年底 Discover Magzine 曾经对他做过一次专访，果壳曾有一篇很不错的编译稿，我觉得我写起来肯定没这个好： Planet Hunter （英文） 送望远镜上天，去寻找外星行星！ （果壳） 这次发现中最主要的一个是：目前发现的第一颗围绕类似太阳恒星的，处于宜居带的质量比较接近地球的系外行星，编号 Kepler452b（b 代表是这个系统中距离主恒星最近的行星）。也就是说，这是目前最接近日 - 地系统的系外行星系统。 一同发布的还有 500+ 的行星候选者（planet candidate，就是粗看跟行星的观测数据很像，但需要进一步确认的），其中有 11 颗都很可能是位于宜居带的半径在 1 到 2 倍地球半径的行星。 因为是 Kepler 的数据，所以这个系统位于天鹅座，距离我们大约 1200 光年（感谢评论中有人指出错误，应为 1400 光年） 。直接去是不太可能了，不过距离我们最近的系外行星就位于三体世界：半人马座 是一个三星系统，中文名南门二，2012 年的一篇文章表明，其中的 B 星基本确认有一颗行星。这颗行星距离主恒星只有 0.04 天文单位，公转周期三天多一点，表面温度超过一千摄氏度，所以差不多常年处在类似“三日凌空”的温度，相比之下，这次发现的 452b 处在一个温和得多的环境中。 只能说 NASA 的确越来越善于搞个大新闻了，数据第一次发布之前就把渲染图做好了：这个图倒是挺准确，这颗行星围绕的恒星 Kepler452（注意没有 b）比太阳大一点，老一点（年龄 60 亿年），这颗行星直径比地球大约 60%，质量大约是地球的 5 倍。 最上面是早先发现的 Kepler-186 系统，中间就是这次的 Kepler-452b，最下方是太阳系。绿色宽圆环代表这颗恒星的宜居带。这次的恒星因为比较亮，所以宜居带也比较宽，而 452b 的跟地球差不多，都位于宜居带靠内的位置，周期只比地球长一点，385 天。 Kepler 探测行星的方法听起来非常简单粗暴：行星轨道若处于恒星视线附近就会产生遮挡，如果能探测出周期性的亮度变化就可以得到行星的周期（在排除其他可能性的情况下）和行星相对恒星的大小。如果有多颗行星，它们之间的微扰会导致凌星周期的变化，利用这一点在加上一些动力学计算 / 模拟，可以更好地约束它们的轨道参数，甚至推出未发现的行星。 很容易看出的是，凌星法需要长周期的持续观测，但地面上由于天气变化，很难提供一个稳定的亮度数据，所以最好的办法还是上太空。2009 年，Kepler 发射，目前为止，它一共给我们贡献了超过 1000 颗确认的系外行星！ 这六年时间里，Kepler 在绕日轨道上始终指向天鹅座附近的天区。而在每个观测周期内（长达数月），Kepler 的指向精度是 sub-pixel 级别：每颗恒星始终位于同一颗像素上！直到 2013 年八月，三颗陀螺仪（记错了，实际应该是调整姿态的反作用轮）中有一颗故障，此后便转向其他目的的观测（例如星震）。 Wikipedia 上一副不错的统计图，绿色是凌星法发现的行星数量，蓝色是 RV。当然，这里的日期并不是观测日期，而是数据经过分析后确认发布的日期。2014 年忽然冒出来 700+ 颗“确认”的系外行星，作为曾经处理过 Kepler 数据的人我有点怀疑结果的可靠程度。 如果只靠 Kepler 的数据，那么你能确认的只有行星的半径（误差不小）和行星的周期（相当准确）还有就是轨道倾角的最小可能值（通常都很小）。因为 Kepler 靠的是凌星法，关于行星的直接数据只有行星挡住恒星那短短的瞬间，所以无法获得全面的动力学数据（比如非常重要的行星质量，还有轨道半径和离心率）。那些大众们更关心的，比如是否有液态水，是否有生命，是固态行星还是液 / 气态行星都是没法确认的。 那 NASA 是怎么知道这些数据的？靠的是后续观测，模型拟合和合理推测。 后续观测：由于大多数系外行星没法直接观测到，目前对于行星性质的推断都极大依赖于主恒星的数据。这次为了更好地确认 Kepler-452b 的性质，还利用了几个地面望远镜，所以才能把主恒星的质量定得比较精确。在未来，随着更大口径的设备的出现（三十米望远镜， 平方千米天线阵列之类），有可能对系外行星大气进行比较精确的光谱观测，这样就可以确定大气成分，是否有生命乃至有工业文明都是有可能判断出来的。 模型拟合：即使对于恒星，在不知道行星轨道数据的情况下你也没法直接测量质量。目前的主流办法是利用多色测光得出恒星的光度和光谱型，带入已有的恒星模型中推出恒星质量。对于行星质量更加复杂一些，如果是个多行星系统，可以靠他们之间的引力影响得出精确的掩星时刻，然后去拟合观测数据。单颗行星基本只能靠大小去推测了。 合理推测：这次行星的半径是地球的 1.6 倍，根据目前的行星模型，这样大小的行星不太可能是液态或者气态行星。这两种行星都需要一个固态核来吸引足够的液态气态物质，而通常单单一个固态核就已经超过了这个大小。所以很可能是跟地球差不多的岩石行星。既然是岩石行星，密度应当跟地球接近，考虑到引力对密度的压缩，实际密度可能更大，1.6^3~4，所以 5 倍是个不错的推测。这种质量的行星应当由足够的引力维持一个稳定的大气，所以只要温度合适，表面存在液态水的可能性是非常大的。 不过考虑到它已经相当接近宜居带的内侧，可能已经出现过过度的温室效应，这样它的表面就会变成金星那样，很不好玩儿。当然以上都是我个人的推测，具体还得看 ApJ 上的 paper。 吐槽一下，这种 paper 都没发就召开发布会的真是太讨厌了，搞得业内人士想装逼都没资料可查。 去年 arXiv 曾有一位 Hubble Fellow 的文章，根据径向速度法对 Kepler 行星的后续观测结果进行了贝叶斯统计研究，结果表明大多数 1.6 倍地球半径的 Kepler 行星都不是岩石行星，不过这篇文章是基于轨道周期小于 50 天的行星数据做出的统计，对于这次长周期的 Kepler-452b，倒是不一定适用。 关于宜居带，基本是根据“既不太热也不太冷”的原则划出来的，当然会考虑到具体的波长范围。大多数情况下，宜居带只能算是一个非常粗略的估计。 顺便说一句，Kepler 的头号功臣，Bill Borucki 于本月初刚刚退休，他和 Kepler 的故事可谓跌宕起伏，足够写成一部小说。 查看知乎原文
