新宜居地球——Kepler452b？

若华

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。直接去是不太可能了，不管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处在一个温和的多的环境中。





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）。



wiki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Kepler452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Kepler452b，倒是不一定适用。






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