21.5：无处不在的系外行星——我们在学什么
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- 202301
学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 解释一下我们从发现系外行星中学到了什么
- 确定哪种系外行星似乎是银河系中最常见的系外行星
- 讨论我们在其他恒星周围发现的行星系统的种类
在发现系外行星之前，大多数天文学家预计其他行星系统将与我们自己的行星系统非常相似——行星大致沿着圆形轨道行驶，而最大的行星距离其母恒星有几个 AU。 这样的系统确实大量存在，但是许多系外行星和行星系统与太阳系中的系外行星和行星系统有很大的不同。 另一个令人惊讶的是，存在着我们在太阳系中根本没有的整类系外行星：质量介于地球和海王星质量之间的行星，以及质量比木星大几倍的行星。
开普勒成绩
开普勒望远镜是发现大多数系外行星的原因，尤其是尺寸较小的系外行星，如图所示\(\PageIndex{1}\)，开普勒的发现以黄色绘制。 你可以看到各种各样的大小，包括比木星大得多、小于地球的行星。 开普勒发现的轨道周期超过几百天的系外行星缺失，这是该飞行任务寿命为4年的结果。 （请记住，必须观察三个间隔均匀的过境才能记录发现。） 在较小的尺寸下，缺少远小于一个地球半径的行星是由于很难探测到非常小的行星的过境。 实际上，开普勒的 “发现空间” 仅限于轨道周期小于400天且体积大于火星的行星。
开普勒任务的主要目标之一是找出有多少恒星托管行星，尤其是估计类地球行星的频率。 尽管开普勒只观察了银河系中极小一部分恒星，但样本量足够大，足以得出一些有趣的结论。 虽然观测结果仅适用于开普勒观测到的恒星，但这些恒星具有合理的代表性，因此天文学家可以推断出整个银河系。
图\(\PageIndex{2}\)显示，开普勒的发现包括许多岩石、地球大小的行星，远远超过木星大小的天然气行星。 这立刻告诉我们，多普勒最初发现的许多炙手可热的木星是一个有偏见的样本，实际上是在寻找奇怪的行星系统，因为它们最容易被探测。 但是，这种观测到的大小分布与太阳系中行星的大小分布之间有一个巨大的差异。 最常见的行星的半径介于地球的1.4到2.8之间，我们在太阳系中没有这种大小的例子。 它们被昵称为 Super-Earths，而另一个大小在地球2.8到4之间的大型群体通常被称为迷你海王星。
这是一个了不起的发现，银河系中最常见的行星类型在我们的太阳系中完全不存在，直到开普勒的调查才为人所知。 但是，回想一下，开普勒仪器很难找到非常小的行星。 因此，要估计地球大小的系外行星的频率，我们需要纠正这种采样偏差。 结果是修正后的尺寸分布，如图所示\(\PageIndex{3}\)。 请注意，在这张图中，我们还采取了步骤，显示的不是开普勒探测次数，而是显示了太阳型恒星（光谱类型 F、G 和 K）每颗恒星的平均行星数。
我们看到，最常见的行星大小是半径为地球的1到3倍的行星——我们称之为 “地球” 和 “超级地球”。 每组存在于大约三分之一到四分之一的恒星中。 换句话说，如果我们将这些大小组合在一起，我们可以得出结论，每颗恒星几乎有一颗这样的行星！ 请记住，这次人口普查主要包括轨道周期小于2年的行星。 我们还不知道有多少未被发现的行星在离恒星更远的地方可能存在。
要估计银河系中地球大小的行星的数量，我们需要记住，大约有1000亿颗光谱类型为F、G和K的恒星。因此，我们估计银河系中大约有300亿颗地球大小的行星。 如果我们也包括超级地球，那么整个银河系中可能有一千亿个。 这个想法——大致相当于地球大小的行星数量如此之多——无疑是现代天文学中最重要的发现之一。
密度已知的行星
对于数百颗系外行星，我们已经能够通过过境数据测量行星的大小和根据多普勒数据测量行星的质量，从而得出其密度的估计值。 将系外行星的平均密度与太阳系中行星的密度进行比较有助于我们了解它们在自然界中是岩石还是气态。 这对于理解质量在地球质量的3-10倍之间的超级地球和迷你海王星的新类别的结构尤其重要。 到目前为止，一项关键观测结果是，质量超过地球10倍的行星具有大量的气态包络（如天王星和海王星），而质量较低的行星在自然界中主要是岩石（如陆地行星）。
该图\(\PageIndex{4}\)比较了所有同时具有质量和半径测量值的系外行星。 一些说明性案例也显示了半径对行星质量的依赖性，这些例子是假设的由纯铁、岩石、水或氢气构成的行星。
在质量较低时，请注意，随着这些假设行星质量的增加，半径也会增加。 这是有道理的——如果你用粘土建造一个行星模型，你的玩具星球的大小会随着你添加更多的粘土而增加。 但是，对于图中质量最高的行星（M > 1000\(M_{\text{Earth}}\)）\(\PageIndex{3}\)，请注意，半径停止增加，质量较大的行星实际上更小。 之所以发生这种情况，是因为质量的增加也会增加行星的重力，因此可压缩的材料（即使是岩石也是可压缩的）将变得更加紧密，从而缩小了质量更大的行星的大小。
实际上，行星不是像假设的水或铁行星那样纯粹的构成。 地球由固体铁芯、外部液态铁芯、岩石地幔和地壳以及相对较薄的大气层组成。 同样，系外行星也有可能分为组成层。 图中的理论线条\(\PageIndex{4}\)只是指导方针，建议了一系列可能的构图。
对岩石行星内部进行复杂建模的天文学家做出了简单的假设，即行星由两三层组成。 这并不完美，但它是一个合理的近似值，也是科学如何运作的又一个很好的例子。 通常，理解新事物的第一步是缩小可能性的范围。 这为完善和深化我们的知识奠定了基础。 在图中\(\PageIndex{4}\)，两个大致为 1\(M_{\text{Earth}}\) 和 1 的绿色三角形\(R_{\text{Earth}}\)代表金星和地球。 请注意，这些行星介于纯铁模型和纯岩行星模型之间，这符合我们对已知的金星和地球混合化学成分的预期。
就气态行星而言，情况更为复杂。 氢是元素周期表中最轻的元素，但图\(\PageIndex{4}\)中许多探测到的质量大于 100\(M_{\text{Earth}}\) 的系外行星的半径表明它们的密度低于纯氢行星。 氢气是最轻的元素，那么这里发生了什么？ 为什么有些天然气巨型行星的膨胀半径比虚构的纯氢行星还要大？ 这些行星中有许多位于靠近主恒星的短周期轨道上，它们在那里拦截了大量的辐射能量。 如果这种能量被困在地球大气深处，它可能会导致地球膨胀。
在稍微偏心的轨道上靠近宿主恒星运行的行星还有另一种能量来源：恒星将在这些行星中引发潮汐，这些行星往往会绕轨道循环。 这个过程还会导致能量的潮汐耗散，从而使大气膨胀。 在更宽的轨道上测量天然气巨型行星的大小会很有意思——除非它们很年轻，否则这些较冷的天然气巨型系外行星（有时被称为 “冷木星”）不应该被膨胀。 但是我们还没有关于这些更远的系外行星的数据。
系外行星系统
当我们寻找系外行星时，我们不希望每颗恒星只能找到一颗行星。 我们的太阳系有八颗主要行星、六颗矮行星和数百万个绕太阳运行的小物体。 我们掌握的关于行星系统正在形成的证据也表明，它们很可能会产生多行星系统。
第一个行星系统是在1999年使用多普勒方法在Upsilon Andromedae恒星周围发现的，此后还发现了许多其他行星系统（截至2020年初将近700个）。 如果这样的系外行星系统很常见，那么让我们考虑一下我们期望在开普勒过境数据中找到哪些系统。
只有当地球位于行星轨道的平面上时，行星才会穿越其恒星。 如果其他系统中的行星在同一个平面上没有轨道，我们就不太可能看到多个过境物体。 此外，正如我们之前指出的那样，开普勒仅对轨道周期小于约4年的行星敏感。 因此，我们对开普勒数据的期望是有证据表明，共面行星系统仅限于太阳系中地球行星的领域。
到2020年，天文学家收集了近700个此类系外行星系统的数据。 许多行星只有两颗已知的行星，但有几个有多达五颗行星，一个有八颗行星（与我们自己的太阳系的行星数量相同）。 在大多数情况下，这些都是非常紧凑的系统，它们的大多数行星离恒星的距离比水星离太阳更近。 下图显示了最大的系外行星系统之一：名为开普勒-62的恒星系统（图\(\PageIndex{5}\)）。 相比之下，我们的太阳系以相同的比例显示（请注意，开普勒-62行星是根据艺术许可绘制的；我们没有任何系外行星的详细图像）。
在K-62系统中，除一颗行星外，其他所有行星都比地球大。 它们是超级地球，其中一个（62d）在迷你海王星的大小范围内，它可能主要是气态的。 这个系统中最小的行星大约相当于火星的大小。 三颗内行星的轨道非常靠近它们的恒星，只有外面的两颗行星的轨道比我们系统中的水星大。 绿色区域代表每颗恒星的 “可居住区域”，这是我们计算出表面温度与液态水一致的距离。 开普勒-62的可居住区域比太阳的区域小得多，因为恒星本质上更微弱。
有了这样间隔紧密的系统，行星可以在引力上相互作用。 结果是，观测到的过境发生的时间比简单轨道预测的要早或晚几分钟。 这些引力相互作用使开普勒科学家能够计算行星的质量，从而为了解系外行星提供了另一种方法。
开普勒发现了一些有趣且不寻常的行星系统。 例如，大多数天文学家预计行星仅限于单星。 但是我们发现行星绕着近距离的双星运行，因此行星可以在其天空中看到两个太阳，就像《星球大战》电影中虚构的塔图因星球一样。 在相反的极端，行星可以绕宽双星系统中的一颗恒星运行，而不会受到第二颗恒星的重大干扰。
关键概念和摘要
尽管开普勒任务正在寻找数千颗新的系外行星，但这些系外行星仅限于小于400天且体积大于火星的轨道周期。 不过，我们可以利用开普勒的发现来推断银河系中行星的分布。 迄今为止的数据表明，像地球这样的行星是最常见的行星类型，银河系中类似太阳的恒星周围可能有1000亿颗地球大小的行星。 在其他恒星周围已经发现了大约 2600 个行星系统。 在其中许多行星中，行星的排列方式与太阳系中的排列方式不同。
词汇表
- 超级地球
- 一颗比地球大的行星，通常是我们星球大小的1.4到2.8倍
- 迷你海王星
- 介于太阳系中最大的陆地行星（地球）和最小的木星行星（海王星）之间的行星；通常，迷你海王星的大小在地球大小的2.8到4倍之间