天文學家估計：銀河系中存在60億顆類地行星

銀河系中存在60億顆類地行星？如果這是真的，這將大大超出我們的認知。但是這個數字，並不是我們看起來那麽簡單。

銀河系擁有超過4000億顆恆星，即使存在60億顆類地行星，他們也將廣泛分布在銀河系的各個角落，彼此相距甚遠。

這個數字是由一項最新研究成果提出來的，這項研究的共同作者，是來自不列顛哥倫比亞大學的米歇爾·庫伊莫托和傑米·馬修斯。這篇文章公開發表在《天文期刊》上，標題是“檢索全部開普勒二號數據，預估FGK型恆星的發生率”。

所謂類地行星，指的是由岩石組成的、與地球大小相近且圍繞著類太陽恆星或G型恆星公轉的行星。此外，它還必須處於該恆星周圍的宜居帶內，與恆星保持合適的距離以保證星球上留得住液態水。值得注意的是，我們迄今為止所探測到的系外行星，大多數都是像海王星大小，且遠離宜居帶的行星。

[文字說明]藝術家為不同類型恆星的宜居帶所作的插畫

來源：美國國家航空航天局

“通過我的計算，發現每一個G型恆星所擁有的類地行星上限為0.18顆。”共同作者米歇爾·庫伊莫托在一篇通訊稿上指出，“估算不同恆星周圍各類行星的普遍性，能對行星的形成和演化理論提供重要約束，也可以為將來探索系外行星提供助益。”

在之前的研究中，關於類地行星的發生概率都表述不一，每一顆類太陽恆星周圍存在宜居類地行星的數量，從0.02到大於1不等。

“我們的銀河系擁有4000億顆恆星，7%屬於G型恆星。”馬修斯說，“那就意味著我們的銀河系中僅有不到60億顆恆星可能有類地行星。”

絕大多數的已知系外行星，都是通過渡越時間測量法發現的。自動觀測站（例如“開普勒”探測器）會監控行星劃過恆星表面時恆星亮度的下降變化（來判定行星的存在），但那種方法存在不可避免的偏差。

與較小的行星相比，較大的行星更容易沉浸在星群裡。現已發現了更多的大型氣體行星，而鮮少發現較小的岩石行星。開普勒望遠鏡也更有可能發現軌道周期較短的行星。因此不能僅僅用開普勒的數據來推斷整個銀河系。

2014年2月，開普勒數據發布了715顆確認行星的規模。開普勒的結果並不能真正反映系外行星的數量，因為它更容易發現較大的行星。在NASA發布的論文中，研究人員寫道，“尋找地球大小的行星是一項具有挑戰性的工作，因為它們體積小，傳輸信噪比(S/Ns)低。這意味著行星探測管道發現它們比發現較大的行星要困難得多，而且在數據中被類似凌日的噪聲所混淆的風險也更高。”

為了克服這種抽樣偏差，Kunimoto使用了一種被稱為“正向建模”的技術。她解釋說:“我首先模擬開普勒搜索的恆星周圍的系外行星的全部數量。根據我的行星搜索算法找到它們的可能性，我把每顆行星標記為‘探測到’或‘錯過’。然後，我將探測到的行星與我實際的行星目錄進行比較。如果模擬結果非常接近，那麽最初的行星數量很可能很好地代表了圍繞這些恆星運行的行星的實際數量。”

Kunimoto等人的研究是基於包含大約20萬顆恆星的開普勒目錄和蓋亞數據發布2的精確的測量半徑。他們還考慮了探測效率和數據中的傳輸噪聲信號。最後，如作者所言，“對於在圍繞G型恆星運轉的保守定義的宜居帶（0.99-1.70au）上運行的大小為0.75-1.5R？的行星，我們設定了每顆恆星0.18顆行星的上限(84.1百分位)”。

該研究中這一圖片顯示了圍繞類日G型星的系外行星出現概率。其中，y軸表示行星半徑，x軸表示軌道周期，每個方形也都由右邊的圖例進行了顏色編碼。圖片來源： Kunimoto 和 Matthews, 2020。數值的提出僅僅是研究的一部分，這項工作同時也有一些被人們熟知為“行星半徑間隙”的新發現。半徑間隙又叫富爾頓空缺，以Benjamin Fulton的名字命名，他是一位天文學家,也是美國宇航局系外行星科研所的研究員。富爾頓空缺描述了富爾頓及一組研究員在2017年發表的論文上概述的一種現象。出於某種原因，對於一個軌道周期少於100天的系外行星來說，擁有1.5倍到2倍的地球半徑是十分罕見的。

系外行星半徑間隙。因為一些原因，很難找到一顆擁有少於100天軌道周期，同時其半徑在地球半徑的1.5到2倍間的系外行星。數據來自《THE CALIFORNIA-KEPLER SURVEY》（加利福尼亞開普勒調查），III，《A GAP IN THE RADIUS DISTRIBUTION OF SMALL PLANETS》。圖片來源：Fulton 等人，2017.One explanation for this radius gap is photoevaporation。（用光致蒸發解釋半徑間隙）。附近的行星到恆星距離過近，由於恆星的高能異塵餘生，它們失去了自身的大氣。而恆星在大約一億年後會逐漸變小，因此在恆星高能異塵餘生消失前，有著較厚氫/氦包層的較大行星或許可以留存部分自身包層。即使是小部分原氫/氦大氣，也足以使行星擴大自身半徑。他們發現半徑間隙實際上發生在相比之前研究顯示的較小的軌道周期範圍內。研究小組的結果可以“為解釋半徑差距特徵的行星演化模型提供約束條件”

標題中的數據來源於Kunimoto和Matthews的論文。這篇文章的背景灰度是富爾頓空缺，而其中的最新數據被標注成了黑色。本文的圖片來自於Kunimoto和Matthews，這兩張圖都是2020年的。這類工作中的一個問題與“宜居帶”這個術語相關：因為現在並沒有關於這個術語的確切定義，因此，這就意味著，比較不同團隊的工作會是困難的。Kunimoto和Matthews兩位作者寫道：“對於文獻價值一致性缺失的一個並不完美的解釋是作者們如何定義‘HZ型星’。”

同時，這類工作的另一個問題是對於岩質行星的定義。“另一個複雜的問題是作者們如何定義一個潛在宜居的岩質行星的大小。如果這個行星太小了，那麽它就無法維持住行星上的大氣或者支撐起行星的板塊構造。”

在這項工作中，兩位作者使用了一個越來越常見的“宜居帶”定義：0.99～1.70個天文部門。同時，他們認為，岩質行星的最小尺寸是地球半徑的0.75倍，而最大尺寸是地球半徑的1.5倍。而其他的研究人員也遵循同樣的定義。

這是藝術家關於HD 21749c和它的姊妹行星HD 21749b的概念圖：HD 21749c 是第一個被美國國家航天局（NASA）的系外行星凌星巡天衛星（TESS）發現的地球大小的行星，而HD 21749b是一個溫暖的比海王星小一點的行星。圖片來源：Robin Dienel--卡內基科學研究所。這不會是關於類地球行星的系外行星群體的最終研究，因為我們現在仍然處於關於系外行星研究的初步探索期--我們剛剛開始善於發現系外行星，並確切可靠地描繪它們的大小、類型以及位置。正如Kunimoto在通訊稿裡所解釋的，這類研究將會幫助我們改善我們對於系外行星群體的理解，同時改善搜索這類信息的途徑。

但是，如果銀河系中有60億顆類地球行星，隨著時間的發展，我們期待著可以發現更多的類地球行星。NASA（美國國家航天局）的TESS（系外行星凌星巡天衛星）和ESA（歐洲空間局）的CHEOP（基奧普斯系外行星表征衛星）的使命是開啟行星發現的新階段。如果存在其他類地球行星，它們是不可能永遠隱藏起來不被我們發現的。

作者：EVAN GOUGH

FY：Astronomical volunteer team

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