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凌日新技术帮科学家寻找地外宜居行星
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在双行星系统中，由于外层行星的重力作用，内层行星轨道出现偏差。
图片来源：NASA /Kepler Mission
当系外行星猎人日前宣布发现了一簇“迷你海王星”时，他们要强调的不仅仅是系外行星的多样性。之前，这种最轻的行星从未在太阳系以外被发现过。科学家于美国天文学会会议上宣布的这些结论还显示了一种借助行星“凌日”计算系外星球质量的很有前途的方法的力量。
这个名为“凌日时刻变化”（TTV）的新技术使得天文学家能够将美国宇航局开普勒太空望远镜发现的数十颗系外行星的图景填充完整。
开普勒传回的数据仅揭示了一颗行星的大小和轨道周期。要想知道它是岩石、气体还是这两种物质的混合物，天文学家还需要知道它的质量。习惯上，他们会求助于陆基望远镜，通过测量相关恒星的摆动得到数据。但是TTV能够仅凭借开普勒传回的数据就确定星体的质量。
“我们已经进入TTV时代。”马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理学中心天文学家David Kipping说，“我们要找到地球的同胞姐妹，最好的方法就是借助凌日时间变分法获得星体的质量，这对理解目标星球是否真正是地球2.0至关重要。”正是Kipping宣布了这颗名为KOI-314c的轻质量系外行星的存在。
TTV是由哈佛大学天体物理学家Matthew Holman及同事设计出来的。如果两颗或更多的行星碰巧近距离围绕一颗恒星运行，他们判断，星球彼此间的重力拖拽将改变它们的轨道周期。如果其中一颗行星是凌日行星——当它穿过恒星和其他行星之间时，会使母星的光线变暗，天文学家将发现其通过时间随多样化的轨道而改变，这就泄露了行星同伴的信息。如果两颗行星都是凌日行星，天文学家就能通过测量它们的轨道扰动，计算出行星质量。
2005年，Holman及其同事发表了这一理论，西雅图市华盛顿大学的Eric Agol和同事几乎同时提出了一个相似的方案。但数年之后，天文学家未能发现凌日时间变化现象，因为几乎所有的已知系外行星都是气态巨星，仅围绕母星徘徊。理论家认为，此类行星在距离恒星较远的位置形成，之后进入这里，清除了产生摇摆的潜在同伴。
多亏开普勒太空望远镜，使得该方法从理论走向应用。直到2013年，该望远镜观测到16万颗恒星的亮度资料，发现了凌日行星带来的亮度变化迹象。开普勒还发回了数十个行星系的数据，其中许多包含多重行星。
实际上，自2010年起，天文学家开始进行TTV信号检测。从那时到现在，他们的经验一直在增加。
Kipping及其同事在梳理开普勒传回的有TTV迹象的数据时，无意中发现了KOI-314c。但是恒星KOI-314是一颗距离地球200光年的红矮星，其周围的凌日数据指示出两颗行星的存在。它们的运行时间同步变化：当一颗行星公转减速时，另一颗行星就加速，反之亦然。“我们发现了相同的TTV迹象，相互间此消彼长。”Kipping说，“很显然这两颗行星相互影响。”
通过计算机模拟，研究人员计算出了这两颗行星的质量。他们发现KOI-314c每23天绕其母恒星一周，质量与地球相似，尽管其半径比地球大了近60%。Kipping研究小组推断，这颗行星（迄今为止发现的最轻的系外行星）有一个岩芯和厚厚的气态大气层。内行星KOI-314b也具有类似的尺寸，但质量是前者的4倍。
同时，伊利诺伊州西北大学天文学家Yoram Lithwick领衔的研究小组也分析了开普勒发现的163颗系外行星的TTV特征。该研究小组确定，其中大约60颗行星的质量范围在地球到海王星之间，并且比同质量岩石行星的预期尺寸大得多，这表明它们被浓密的外层大气所包裹。
研究人员还发现这样一种模式：行星半径越大，其密度就越小。“如果你让一个东西变成两倍大，那么它的密度就是原来的四分之一。”Lithwick暗示，这个惊人的发现“将对理解行星的形成产生巨大影响”。
Kipping 注意到，有关TTV最好的事情是，它能够从开普勒数据中被梳理出来。它也能发现距离恒星过远无法探测到晃动的行星的质量，从而帮助寻找类似地球的宜居星球。Kipping说，“凌日时刻变化技术的美丽在于，无论它距离母星有多远”，都能计算出行星的质量。不过，Holman也表示，“我不会期望TTV能够产生非常高的精度”。（张章）
《中国科学报》 (2014-01-23 第3版 国际)
https://blog.sciencenet.cn/blog-1208826-761613.html
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