第二,恒星周围必须存在行星,且这颗行星体积足够大,或距离母星足够近,能够遮挡足够多的光线,让我们观测到亮度变化。这也是最初发现的系外行星几乎都是体积巨大、近距离围绕母星运行的“热木星”的原因,这类行星最容易被观测到。
行星体积越大,遮挡的光线越多;距离母星越近,遮挡的光线也越多,且运行到恒星与地球之间的概率也越高。
像冥王星这样体积小、距离母星遥远的天体,几乎不可能与恒星、观测者形成三点一线,体积过小、距离过远也让它遮挡的光线微乎其微,而且它的公转周期极长。
第三,需要长期观测这些恒星,不仅要观测到一次亮度下降,还要观测到这种下降的周期性重复。
对于外星观测者来说,地球每年会遮挡一次太阳光,而冥王星每隔几个世纪才会遮挡一次。除非至少观测到两次、最好是三次周期性亮度下降,否则无法做出有效判断。
观测到至少两次周期性下降后,就能根据周期确定行星的存在,计算出它的公转周期,再结合恒星质量,算出它与母星的距离。
之后可以根据恒星的亮度,判断这颗行星是否处于宜居带——也就是距离母星远近适中、表面可能存在液态水而非冰冻或沸腾的区域。
如果地球围绕一颗质量更大的恒星运行,且距离不变,那么地球的公转周期会更短,同时地球也会被高温焚毁,因为质量更大的恒星亮度会呈指数级提升。
一颗质量是太阳两倍的恒星,亮度并非太阳的两倍,而是约十倍。我们也不可能存在于这样的恒星周围,因为质量两倍于太阳的恒星寿命仅10亿年多一点,而太阳的年龄是46亿年。
太阳诞生40亿年后,地球上才出现最初的动物,还不是复杂动物,海绵通常被认为是地球上最早的动物。
因此,我们并非只是寻找遥远恒星周围的行星,过去十年我们已经发现了数千颗系外行星,我们真正寻找的是每一个恒星系统中宜居带内的行星。
开普勒望远镜采用的凌日法是探测系外行星的有效方法之一。例如,如果我们观测到一颗质量约为太阳一半、亮度约为太阳五倍的恒星,每750天出现一次持续一天左右、亮度下降不到1%的情况,就可以判断这颗恒星周围存在一颗大小与地球相近的行星,距离母星约1.8个天文单位,也就是日地距离的1.8倍。
这颗行星接收到的恒星辐射量约为地球的1.5倍,温度较高,但或许仍处于宜居范围。
我们不会关注遮挡光线超过1%的行星,因为这类行星体积过大,不可能是宜居的岩质行星;而遮挡光线远超过1%的天体,体积会极其庞大,即便在那样的轨道上,也远超气态巨行星的尺寸。
当我们连续数年、每天收集15万颗恒星的观测数据时,不会直接查看原始数据,而是通过计算机筛选出我们需要的信息。
接下来进入第三个主题:**塔比星的异常现象**。
塔比星的质量是太阳的1.5倍,亮度是太阳的五倍,我们观测到它出现了两次异常亮度下降:第一次下降幅度为15%,第二次为22%。
第一次下降发生在2011年3月,第二次在2013年2月,两次间隔约750天。
开普勒望远镜于2009年3月发射,因此我们恰好错过了2009年的那次可能的亮度下降;而2015年4月望远镜出现故障,又错过了当年的下降。
2017年5月我们再次观测到了亮度下降,这次下降幅度极大,且完全不符合宜居带类地行星的特征。
以这样的公转周期和距离,这颗天体接收到的辐射量比金星还多,体积也远大于木星。
第二次大幅亮度下降的过程极不规则,亮度先大幅下降,再轻微回升,随后又继续下降,这种表现更像是双行星同时凌日,或是多颗行星偶然汇合后一同从恒星前方经过。
在此之前,没有人预测到这一现象会发生,而发现这一异常的,是“行星猎人”项目中手动筛查数据的公民科学家志愿者。
“公民科学家”只是一个好听的说法,我更愿意称他们为业余天文学家,天文学发展一直以来都离不开业余爱好者的贡献。无论如何,我很赞赏这种让更多人参与到行星探测中的举措。
众筹资金和志愿者参与,正逐渐成为政府或大型企业研究之外的一种可行替代方式,尤其在搜寻地外文明和天文学领域,我认为这一趋势极具意义,未来也会有更多相关探讨。
我们没能及时观测到2015年初的第三次亮度下降,否则可以在开普勒望远镜故障期间,用其他设备进行观测。
当天文学家发现这一异常时,都感到极为震惊,这颗恒星也因此被戏称为“WTF星”,官方说法是“亮度异常波动之星”,我个人更倾向于直译“到底是什么情况”。
最终,人们不再使用它的开普勒星表编号或这个非正式昵称,而是以研究团队的第一作者、天文学家塔比莎·博亚吉安的名字命名它为“塔比星”。
她也主导了众筹项目,筹集资金用更多设备、在更多波段对这颗恒星进行详细观测。
这就是塔比星的异常现象,我们恰好错过了2009年开普勒发射前的那次下降,又因设备故障错过了2015年的下降,因此目前掌握的数据依然有限。
第四个主题:**这些观测数据能告诉我们什么**。
首先,如前所述,在这样的轨道距离上(略小于日地距离的两倍)出现如此大幅度的亮度下降,说明遮挡天体的体积极其庞大,远大于木星。
其次,这个天体接收到的辐射量比地球多50%,温度更高。
需要说明的是,塔比星是一颗F型主序星,或是处于演化晚期的亚巨星,它的亮度略高于同质量的主序星,但远不及红巨星。
此前人们认为这是一颗接近生命末期的年老恒星,但这一观点近期受到了质疑,后续会详细说明。
这类质量的恒星寿命约30亿年,而太阳的年龄是46亿年。这里我要先强调一个和外星假说相关的关键点:这颗恒星的最大寿命,差不多相当于地球上多细胞生命刚刚出现时太阳的寿命。
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