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在宇宙中的所有恆星中,在宇宙中所有的恆星中,最接近太陽系的恆星是比鄰星:一顆距離地球僅4.2光年的紅矮星。這顆恆星比我們的太陽更小、更暗、更微弱。儘管觀察這顆恆星已有一個多世紀的時間,但還沒有觀測到任何凌日現象,即中間的行星週期性地阻擋母恆星的一部分光線。

圖注:該插圖顯示了一個超地球的世界,圍繞著一顆比我們自己的恆星更紅更暗的恆星執行。如果比鄰c是真實的並且具有我們目前所推斷的特性,它將成為被直接成像的最小和最接近的我們系外行星。

但這並不意味著沒有行星繞著它執行;它只是意味著我們需要使用不同的技術來找到它們。2016年,科學家宣佈發現比鄰b,這是一顆1.3個地球品質的行星,每11天圍繞比鄰星旋轉一次。在四年的資料之後,一個新的團隊宣佈了第二顆行星,比鄰c,重約6個地球品質,大約需要5年才能完成一個軌道。這是第一個在我們附近發現的超級地球,可能成為第一個被直接成像的超級地球。

圖注:此圖顯示了超冷矮星TRAPPIST-1在2016年9月和10月的20天內亮度的變化,由美國宇航局的斯皮策太空望遠鏡和地面上的許多其他望遠鏡測量。在許多情況下,恆星的亮度會在短時間內下降,然後恢復正常。這些事件,稱為過境,是由於一顆或多顆恆星在恆星前面經過並阻擋了它的一些光線。

我們所知道的宇宙中的每一顆恆星都有一些性質,這些性質在時間上大致是恆定的。所有恆星的亮度都有變化,但變化很小;大多數恆星的平均亮度是均勻的。然而,當一顆行星或其他物體相對於我們的視線在恆星前面經過時,該行星會暫時阻擋恆星光的一小部分,導致恆星以規則、定期的方式以特定量變暗。

不幸的是,大多數行星並不象我們的觀點那樣偶然地對齊在一起,而比鄰星的行星也不例外。我們沒有觀察到來比鄰星的行星過境。但是,儘管這是我們在其他恆星周圍發現行星的最成功的方法,例如美國宇航局的開普勒和TESS任務,但還有另一種更為普遍的方法,有可能發現和表徵系外行星,無論它們是否過境:恆星擺動法。

圖注:當一顆行星圍繞其母星執行時,恆星和行星都將圍繞其共同的品質中心在橢圓中執行。沿著我們的視線,恆星將以擺動的方式移動:朝我們移動(並調整其淺藍色移位),然後它遠離我們(並看到相應的紅移)。1995年,這種方法使我們獲得了第一顆環繞太陽類恆星的系外行星。

當每顆行星圍繞其母恆星執行時,恆星的引力將行星拉入橢圓軌道,施加引力,導致行星的運動隨時間而改變。但是對於每一個動作,都有一個相等和相反的反應,所以行星也會牽引恆星,導致它改變其運動響應。當行星圍繞它們的母星執行時,恆星的運動會發生擺動,而沿著我們視線的運動(即恆星的徑向速度)會因每個行星的品質和軌道週期而變化。

你不能直接觀察恆星的運動,但你可以通過觀察它隨時間變化的光譜線來推斷它。每顆恆星都包含光譜線,它們對應於恆星最外層中的元素:吸收線的頻率是元素被恆星的光激發的頻率,發射線是電子在原子中失去激發,導致自身光的發射。隨著恆星運動的變化,光譜線紅移和藍移可探測到的重要數量。

圖注:宇宙中的每一個元素都有自己獨特的原子躍遷集合,這是允許的,對應於一組特定的譜線。我們可以在恆星的光譜中觀察到這些線,這些線是如何隨時間變化的,這可以給我們一個指示由繞軌道執行的行星引起的誘發徑向速度。

因為我們只能測量光譜線位移的大小,所以我們必須用它來推斷行星的品質和週期,而不知道軌道相對於視線是如何傾斜的。我們可以得到這一時期的良好資料,但我們只能推斷出這顆行星的最小品質(一個下限);我們無法確定它是否更大,相對於我們的視線是否傾斜得更嚴重。

2016年,比鄰星的光譜線資料,在那個點上延伸了十多年,已經足夠科學家提取一個小的系外行星訊號,對應於一個1.3地球品質的行星,週期只有11天:比鄰b。比鄰c 最初於 2019 年 4 月初步宣佈,但現在有足夠的證據在主要期刊上發表,在 5.8 地球品質下,比鄰c尺度更大,但軌道週期為 5.2 年。來自兩個獨立的ESO望遠鏡儀器——高精度徑向速度行星搜尋器(HARPS)和紫外-可見分光光度計(UVES)——的資料現已合併,所有跡象都表明存在第二個超地球尺寸星球。

圖注:一部分數字化的天空勘測,與我們的太陽最近的恆星比鄰星,在中心以紅色顯示。這是離地球最近的恆星,距離地球只有4.2光年。

比鄰星本身是一個有趣的恆星,它與我們太陽不同。以太陽系的標準來看,它非常小、昏暗、微弱,只有:

太陽半徑的15%,太陽品質的12%,太陽總光度的0.17%,太陽視覺亮度的0.005%(大部分光線是紅外線),

它們都是小品質恆星的典型代表。比鄰星也顯示出非常大且頻繁的恆星耀斑,是三星系統中最小的成員,也包含比鄰b和c。超大或太遠的行星已經被被各種測量方法排除,也於我們對引力的理解不相吻合。

圖注:外行星比鄰 b,如插圖所示,由於其恆星的大氣剝離行為,被認為不適合生命。這應該是一個"眼球"世界,一邊總是被太陽烤,另一邊總是保持凍結。

當比鄰b被發現時,它引發了一場猜測的風暴,認為它是一顆岩石表面恆星,且位於可宜居帶上,溫度類似於我們自己的行星地球。立刻,人們開始猜測表面上有液態水的存在,一種可能的類地大氣,甚至認為這個行星上有可能存在生命。

不幸的是,這些推測肯定過於樂觀。比鄰b距離比鄰星僅750萬公里的距離——僅為地球太陽距離的5%——任何一個稀薄的、類似地球的大氣層,早在比鄰星的耀斑附近就已經被剝離掉了。沒有大氣,就沒有液態水,潮汐力會把比鄰b的一個面鎖定在它的母星上。白天的一面總是烘烤,夜晚的一面卻永遠凍結,可見比鄰b是完全不適合居住的。

圖注:紅矮星系統中的所有內行星都將被潮汐鎖定,一邊總是朝向恆星,另一邊總是朝外,但在晝夜之間有一個潛在的類地可居住性環(假設大氣條件合適)。比鄰b太接近恆星,沒有大氣,但 比鄰 c 具有更大的距離和品質,實際上可以保證有非常厚的大氣。

因為它不過境它的母星,但軌道如此接近它,我們在可預見的未來成像比鄰b的前景也非常黯淡。然而,如果這顆行星比它的母星更大和更遠,下一代望遠鏡——配備日冕儀甚至星罩——有可能阻擋來自比鄰星的光,並直接拍攝這顆系外行星本身的影象。

到目前為止,我們只直接成像品質至少是地球數百倍的行星,這些行星的旋轉範圍遠遠超出了太陽系中的火星軌道:最大、最分離的行星。這是一個壯觀的成就,我們已經能夠直接成像行星,但要改善我們目前的限制將需要遠遠超過現有的今天的技術。

圖注:在這個比鄰星系統的圖解中,被稱為比鄰B的軌道小,該行星大氣稀薄,被潮汐鎖定,表面為岩石,而比鄰c的大氣厚是由冷的氫氣和氦氣組成。

然而,這正是未來的天文臺,如詹姆斯韋伯太空望遠鏡和未來的30米級望遠鏡,如GMTO和ELT承諾提供的:觀察超級地球的能力,在太空中這些超級地球與它們的母星有足夠的距離。

如果比鄰c行星被證實是真實的,那麼它的最大分離將在其最遠的距離比鄰星附近大約1弧秒(1/3600度),這在這些下一代觀測站的能力範圍內直接發現。這個星球的軌道屬性只需要1.5個天文單位(大約2億2000萬公里),遠離比鄰星,遠比任何以前被直接成像過的行星都要近得多。

圖注:已知有四顆系外行星圍繞著HR 8799恆星執行,它們的品質都比木星大。這些行星都是通過七年內的直接成像探測到的。

它也有保證,它的最小品質是5.8個地球,其類似火星,距離比鄰星1.5個天文單位,是一個寒冷,浮腫的世界,類似於一個小型版本的海王星。雖然對這樣一個世界的通用術語是“超級地球”,但我們可以確信,它根本不會是一個類球行星,它周圍有一個巨大的氫和氦包層,這個包層佔這個行星的大部分品質和體積。

假設直接成像比鄰c的努力最終成功,這顆外行星將立即成為在軌道上有史以來看到的最小的一顆行星,並最接近其恆星。這是第一次,我們可以看到一個外行星的影象,它差不多跟地球一般大小,這是以前從未實現過的。雖然蓋亞任務的未來資料可以證實這顆行星並確定其品質,但這十年晚些時候上線的地面和天基觀測站,提供了實際拍攝這顆行星的潛力。

圖注:早在20世紀20年代,星影概念就可以實現直接的系外行星成像,而ELT和GMTO上的日冕儀將使我們更快地到達那裡。這張概念圖展示了一臺使用星光的望遠鏡,它使我們能夠成像環繞恆星執行的行星,同時阻擋恆星的光線,使其超過100億分之一。

就在幾年前,沒有人知道離我們最近的恆星是否擁有行星,或者它們是否因為某種原因阻止我們觀察到它們。由於我們已經建立了更大更好的資料套件,由高階儀器和天文臺探測到在我們最近的恆星比鄰星附近,存在兩顆行星。

第一個是比鄰b,在大小和溫度上像地球一樣,但像水星一樣貧瘠,它不太可能在短期內洩露祕密。但是,在火星的距離和大約六倍於地球品質的比鄰 c,可能成為第一顆能直接成像且非常靠近恆星的小的行星。

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