發現行星
“克卜勒-78b”是利用美國宇航局“克卜勒太空望遠鏡”收集的數據發現的,花費了3.5年時間觀測恆星亮度規律性的下降,也就是俗稱的過境,它描述了行星從恆星面前經過的特徵。這揭示了行星的大小,它遮擋的星光越多,行星體積越大。為了捕捉當行星經過恆星表面時所導致的亮度變暗,這架望遠鏡在太空運轉了4年,對150000多顆恆星進行了不間斷監視。
天文學家利用一種叫“視向速度”的方法測量了該行星的質量。這種方法基於行星圍繞中央恆星公轉時,彼此的引力牽引導致恆星的晃動。又以“凌星法”測量了其質量,當系外行星經過中央恆星表面的時候,會短暫遮擋一些光線,導致星光看起來變暗,“克卜勒望遠鏡”基於這點來判斷出行星的體積。
“克卜勒-78b”是第一顆同時精確測定了質量和體積的系外行星。知道這兩個參數之後,天文學家就可以計算它的密度和判定它的組成。研究表明,“克卜勒-78b”的體積是地球的1.2倍,質量是地球的1.7倍。由此推斷,這顆行星主要由岩石和鐵組成的。
密度測量
克卜勒太空望遠鏡首次觀測到並沒有提供行星質量的任何直接暗示,因此行星的密度,作為行星組成成分的線索,也成了未知數目前為止測量行星質量最成功的的技術便是觀測行星引力導致恆星的微小波動。行星質量越大,距離恆星越近產生的波動也就越大。地球質量的行星一般非常小以至於很難檢測到波動的變化,除非它們距離母恆星非常的近,
當科學家們發現克卜勒-78b公轉一年只有8小時後,兩支科研小組嘗試的計算了它的質量。
霍華德的研究小組利用位於夏威夷的凱克望遠鏡觀測它的恆星。同時瑞士日內瓦大學的弗朗西斯科·佩佩(Francesco Pepe)帶領的另一支研究小組利用西班牙拉帕爾瑪島的高精度徑向速度行星搜尋儀(HARPS-N)望遠鏡進行觀測。
霍華德的研究小組報告稱這顆行星半徑是地球的1.2倍,質量是地球的1.69倍。佩佩小組計算出它的半徑是地球的1.6倍,質量是地球的1.86倍。兩者都提出了該行星密度大約為5.5克每立方厘米,這與地球非常相似,暗示著它具有鐵和岩石的組成成分。
不幸的是,這顆行星非常炙熱以至於岩石可能已經熔化。因此利用這項技術發現更冷更宜居的地球雙胞胎可能會非常艱難,這主要是因為它們與宿主恆星的距離。
研究人員認為克卜勒78b與母星之間的距離只有水星-太陽間距離的大約1/40。據估計,這顆行星的表面可能已經完全熔化,形成一個巨大的熔岩海洋,溫度高達2760攝氏度。
克卜勒78b環繞的恆星可能比較年輕,旋轉速度是太陽的2倍。令天文學家感到興奮的是,他們探測到來自克卜勒78b的光線。這是天文學家第一次探測到體積如此小的系外行星反射的光線,能夠幫助他們了解克卜勒78b的表面構成和反射性。
克卜勒78b距離母星很近,科學家希望對這顆行星的引力對母星產生的影響進行測量。測量獲取的數據可用於推算克卜勒78b的質量,讓克卜勒78b成為第一顆質量可知的體積與地球相當的系外行星。為了發現克卜勒78b,研究小組藉助克卜勒望遠鏡對超過15萬顆恆星進行了觀測。
為了發現克卜勒78b,研究小組對能夠說明一顆行星可能周期性在恆星前方穿過的光線變暗現象進行了觀測。麻省理工學院的羅伯托·薩奇斯·奧傑達表示:“我一直密切觀察,突然間,我發現光線變暗,所出現的時間與我們的預計相同,真的是太美了。我認為我們發現了來自這顆行星的光線。這是一個令人非常興奮的時刻!“
不宜居性
雖然體積與地球相當,克卜勒78b幾乎不具有適居性,原因就在於距離母星太近。韋恩指出:“生活在一個充斥著熔岩的世界將是怎樣一番景象,你只能靠自己的想像了。”不過,這並不能排除其他軌道周期較短的系外行星具有適居性。韋恩的小組正在尋找環繞冷星運行的系外行星。冷星也被稱之為“褐矮星”,是一種“失敗的恆星”,因質量不足無法成為燃燒的恆星,但其質量仍遠大於太陽系最大的行星木星。韋恩說:“如果環繞一顆褐矮星運行行星會在幾天內靠近這顆恆星。此時的行星如果溫度適中的話仍有適居性。
存在神秘
“我們並沒有發現尋找可居住區里地球大小行星的捷徑,”霍華德說道。“這將要求新一代的極穩定的光譜攝影機以及世界上最大的望遠鏡。”然而,克卜勒-78b也提出了一個更加直接的謎題:為什麼這顆行星會存在?當行星系統形成時,年輕的恆星更大,它將完全吞沒處於軌道的克卜勒-78b。這意味著這顆行星應該形成於非常遠的距離然後朝恆星逐漸靠近。但如果事實的確如此,那么應該已經完全落入恆星內部。
無論是哪種情況,這顆行星的診斷都不容樂觀:理論學家預測在未來30億年,重力將導致克卜勒-78b旋轉落入自身恆星並被撕成碎片,
2013年12月10日據美國《探索》雜誌網站報導,在眾多系外行星中,克卜勒-78b顯得與眾不同,這不僅是因為它的大小與地球相當,可能擁有岩石的地表和一個鐵核。克卜勒-78b與地球之間的相似性可能還並不局限於此。它圍繞一顆與太陽相似的恆星“克卜勒-78”運行,距離非常近,一“年”的長度僅有8.5小時。事實上,由於它和它的“太陽”之間的距離實在太過接近,其地表的平均氣溫要比地球高出近2000攝氏度。因此,將其稱為一個“岩石”行星實際上是不嚴謹的,因為它更像是一顆被岩漿淹沒的地獄星球。
但這還並非是克卜勒-78b背後謎團的全部,事實上,科學家們認為這顆行星根本就不應該存在。
美國哈佛-史密松天體物理中心(CfA)的天文學家大衛·拉森(David Latham)在一份新聞稿中表示:“這顆行星完全是一個謎團。我們不知道它為何會形成,也不知道它如何會遷移到它今天所在的位置上。但我們的確很清楚一點,那就是這樣的狀況將不會永遠持續下去。”
按照現有的行星形成理論,這顆行星簡直就是異類——它的體積很小,大約僅比地球大出20%左右,它不可能在所處的位置上演化形成,並且理論中也找不出任何一種機制能夠使其從別處遷移到這裡。但有一點是肯定的,那就是它將無法在位置上堅持太久,它將注定被恆星的大火吞噬。
不過這裡的“不久”當然是天文學意義的尺度,對於一顆根本就不該存在的行星來說,這樣的壽命已經夠慷慨了。按照估算,克卜勒-78b將在大約30億年後落入恆星的熊熊烈焰之中。
恆星克卜勒-78位於天鵝座,距離地球約400光年。當其處於恆星演化的早期階段時,其體積要大得多。而當天文學家們嘗試計算這顆恆星在其演化早期的體積大小時,他們發現那時候行星克卜勒-78b的軌道將會位於恆星內部。哈佛-史密松天體物理中心的天文學家迪米特·薩塞洛夫(Dimitar Sasselov)說:“它當然不可能在今天所處的位置上形成,因為你不能在一顆恆星的內部形成一顆行星。”
那么是否有可能是這顆行星早期曾經擁有更遠的軌道,而在此後才逐漸發生了向內遷移?這一種可能性也已經被研究人員排除。薩塞洛夫表示:“它不可能是在遠處形成之後再向內遷移到目前位置的,因為如果那樣的話它就會直接一頭撞上恆星。因此我們處於兩難境地。”
但儘管擁有此類奇特的特徵,克卜勒-78b並不孤單,實際上它代表了一類由美國宇航局克卜勒空間望遠鏡發現的新類型系外行星。這類系外行星的大小與地球接近,並且軌道非常靠近恆星(公轉周期低於12小時)。在這其中,克卜勒-78b是首顆被測定了大小和密度的成員。拉森表示:“克卜勒-78b是這一新類型系外行星的典型代表。”
儘管是克卜勒小組最先發現了克卜勒-78b,但在研究過程中科學家們還藉助了設定在西班牙加那利群島上的天文觀測設備,以及夏威夷凱克望遠鏡的高解析度觀測數據。克卜勒空間望遠鏡探測系外行星的原理是所謂的“凌星法”——即對恆星進行精確測光,當有行星從恆星面前經過時便會遮擋恆星的一部分光芒,從而導致恆星的亮度出現輕微下降而被檢測到。這樣的測量數據可以用來估算系外行星的直徑大小。而另一種方法則被稱作“徑向速度法”,其基本原理是:當行星圍繞恆星運行時,儘管其質量相比恆星而言很小,但仍然會對恆星產生一定的影響,使其出現輕微的晃動。通過檢測這種晃動效應,科學家們便能估算出系外行星的質量大小。將徑向速度法與凌星法獲得的數據資料相結合,科學家們便可以計算出系外行星的密度數值。
天文學家們指出,在我們太陽系的內部水星軌道內側也完全可能曾經過一顆大行星,只是後來整個被太陽吞噬,沒有留下一點痕跡。而從另一方面來說,儘管這類奇特的系外行星的起源問題尚不明朗,但或許可以將它們稱作“伊卡魯斯行星”——正如古希臘神話中的人物伊卡魯斯那樣,它們飛地離太陽太近了。這無異于飛蛾撲火,最終會將它們引向滅亡。