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太阳系并非少数派 生命还会是地球“特产”吗
2018-09-24 07:10:53 来源: 科技日报
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地球是人类生命的摇篮,太阳系则是地球的栖身之所。与恒星太阳保持合适的距离,让地球有了四季交替、适宜的温度。而目前人类尚未发现其他星球存在生命。这一切的“巧合”无不暗示着太阳系是宇宙的“另类”。事实上,天文学家在过去二十多年的太阳系外行星研究中也提出了相应假说,认为太阳系为宇宙的“少数派”。

然而,这一天文学界普遍接受的观点或将被推翻。近日,由加拿大理论天体物理研究所博士后研究员祝伟领导的科研团队利用中科院国家天文台郭守敬望远镜(LAMOST)的观测数据研究发现,与太阳系明显不同的行星系统只有30%,也就是说,依然有不少行星系统与我们生存的太阳系是相似的,太阳系也许并不“孤独”。

模型缺陷造就的“叛逆少年”

太阳系另类在哪?

众所周知,太阳系共有八大行星。这八颗行星轨道均为近圆轨道,且公转轨道基本共面。以前的研究结果发现,与系外星系相比较而言,太阳系的八大行星要么太小,要么离主星太远。太阳系外大部分行星的轨道并不像太阳系行星的近圆形轨道,而是偏心率较大的椭圆形轨道。这也让人们越来越相信太阳系也许在宇宙中是个“叛逆少年”。

“太阳系中也没有‘超级地球’。”南京大学天文与空间科学学院副教授谢基伟在接受科技日报记者采访时表示,目前所谓的“超级地球”一般主要指半径在地球和海王星之间,公转周期在100天以内的行星。之前认为,“超级地球”是银河系中最普遍的行星。

然而,这一切可能都是传统观测模型缺陷导致的误判。系外天体距离地球远,看起来行星通常距离主恒星比较近,行星的亮度远没有主恒星耀眼。就目前的技术水平,还无法做到对大部分太阳系外行星系统直接成像。如果想要得到系外行星的参数,只能通过间接的测试方法。

凌星法是现在最普遍的系外行星观测方法,与金星凌日的原理相似。如果行星运行轨道正好与观测方向一致,那么当行星经过恒星表面时,人们通过望远镜观测到的恒星光度将会有所下降,根据亮度变化的特点就可以推算行星轨道及质量参数。在目前已发现的系外行星中,大部分都是最近几年由美国国家航空航天局(NASA)的开普勒空间望远镜用凌星法发现的。

“凌星法探测行星只对轨道倾角约为90°的行星有效,这是该方法一个主要的缺陷。”祝伟进一步解释,所谓“轨道倾角”是系外行星轨道面法线与地球观测视线的夹角。凌星现象发生时,恒星、系外行星和地球基本处在同一直线上。这种特点决定了在一个行星系统中,还可能有很多不发生凌星的行星。因此,如果我们观测到一个系统有两颗发生凌星的行星,那么该系统至少有两颗行星,也可能更多,只不过就现有的观测技术我们无法探测到。

“由于凌星法探测到的行星都是可以发生凌星现象的行星,即轨道倾角90°左右,所以采用凌星法发现的多行星系统的分析必然告诉我们,多行星系统的轨道基本都是共面的。这是幸存者偏差导致的,之前的研究并没有认真考虑这点。”祝伟指出。

仅三成恒星与太阳不同

“要想知道轨道共面假设是不是真的成立,关键在于存在发生凌星现象的行星系统中是否还有不发生凌星现象的行星。但它们寻找起来并不容易。”祝伟表示,研究团队利用凌星时变效应对发生凌星现象的行星进行研究。

按照开普勒第三定律,行星围绕主星的运动存在一个固定周期,因此同一行星多次凌星现象之间的时间间隔应该是其轨道周期的整数倍。但当系统内存在多个行星时,其他行星的引力作用可以扰动发生凌星的行星轨道,导致不同凌星现象之间的时差相比轨道周期的整数倍有所偏差。这一效应因为只与引力作用有关,因此可以被用来寻找不发生凌星现象的行星。通过这种效应,研究团队发现很多发生凌星现象的行星所处星系中都存在轨道不共面的行星,这是轨道共面假设所不能解释的。

既然多行星系统轨道共面的假设不再成立,之前人们基于此的统计结果也就被推翻。基于新的多行星系统的轨道分布规律,祝伟研究团队发现只有30%的类太阳恒星周围存在“超级地球”。也就是说,像太阳系一样不存在“超级地球”的恒星其实是占大多数的。

祝伟告诉记者:“之前天文学家普遍接受轨道共面假说,并基于此开展了很多理论研究,但至今还是无法很好地解释诸多现象。太阳系并不另类的结果会给理论学家提供一种新的思路,这或许可以为人们探索行星的形成机制提供帮助。”

另外,不久前在另一项以谢基伟为首的研究成果中,团队同样依托我国郭守敬望远镜获得的大样本光谱数据和开普勒望远镜观测到的凌星光变曲线,对将近700颗开普勒行星进行分析计算,发现这些行星的轨道大部分与太阳系轨道一样为近圆形,平均偏心率小于0.1。种种迹象表明,宇宙中的太阳系也许并不另类。

增强寻找外星生命的信心

“系外行星轨道形状谜底的揭开对理解行星形成演化提供了重要的线索。此外,这个谜底也告诉我们,从行星轨道形状角度看,太阳系在宇宙中是具有代表性的。这种代表性某种程度上也增强了人类寻找另一个地球和地外生命的信心”。谢基伟表示。

实际上,人类对浩瀚宇宙的探索终究绕不过外星生命这个话题。祝伟也表示其研究成果对于人们正确地认识太阳系本身的起源,甚至下一步寻找第二个太阳系或第二个地球,都会起到积极的推动作用。

那么,外星生命真的存在吗?科技日报记者在第十届国际发明展览会上采访了天体物理学家、诺贝尔物理学奖得主乔治·斯穆特。“20年前,我们没有答案,只能猜测。现在我们发现了太阳系外的很多行星,推测其数量大约为10亿颗,非常有可能在一些行星上会存在生命。” 乔治·斯穆特表示,“也许我们很快就能观测到太阳系外是否存在生命,因为我们将拥有新型的观测手段,例如詹姆斯·韦伯空间望远镜发射后我们可以用它观测行星的大气光谱,获得系外行星存在水等物质的直接信息。我想未来20年,我们将很有可能得到是否存在系外生命的强有力证据。”

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【纠错】 责任编辑: 刘丫
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