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探测系外行星的不确定性,科学中的不确定性是一件好事?

科学中的不确定性是一件好事,因为科学模型是这样运作的:观察一个现象,然后形成一个关于为什么会发生这种现象的假设,然后测试这个假设,这将导致产生一个新的假设等等。这个过程意味着你很难确切地知道一些事情。相反,科学家们努力理解他们的测量、模型和结论中的不确定性。换句话说,不确定性不是一种限制,而是可以帮助我们提高对自然世界的认识,并告诉我们接下来要问什么问题。但这种对不确定性的安慰,并不总是转化为科学发现的传播方式。

特别是在社交媒体无处不在、记者和新闻办公室周转速度很快的情况下,一项科学发现的细微之处,甚至是主要局限,都很难传达给公众。因此,人们有可能(完全可以理解)产生这样一种印象,即一项新发现比实际情况更有说服力。系外行星曾经被认为仅限于科幻小说的世界,现在已知有4000多个围绕其他恒星运行的系外行星世界,而且这个数字还在不断上升。最令人兴奋的是,像NASA“苔丝号”这样的卫星越来越有能力寻找更小的岩石系外行星。

包括那些可能与地球相似、甚至可能适合居住的行星。探测系外行星有几种方法,被怀疑的系外行星被称为“候选行星”,直到两种或更多独立的方法证实它们确实存在,两种主要的技术是透射光度法和径向速度法。凌日光度学包括通过望远镜(通常是一个非常强大的望远镜)观察一颗遥远的恒星,并观察它的亮度是否变暗。如果是这样,对这种变暗现象的一种解释是,有一颗行星从恒星和地球上的观测者之间穿过。如果一颗恒星看起来有规律地变暗,这是一个很好的间接证据,表明一颗行星在恒星前面交叉是罪魁祸首。

凌日光度法甚至可以通过测量行星对恒星的暗度来估算行星大小(因为较大行星比较小行星遮挡的光更多)。当然,要使这种方法奏效,系外行星轨道平面必须与地球观测到的恒星相交。这颗行星必须足够频繁地围绕它的恒星旋转,以便我们能够在合理的观测时间内探测到它。例如,一颗行星绕一颗恒星一周的时间和冥王星绕太阳一周的时间一样长,这是不太可能探测到的,即使它的轨道面与地球相接。径向速度法寻找恒星旋转过程中的微小摆动(通过恒星发出光的性质变化来测量)。

与凌日光度学的情况一样,如果这种摆动有规律地发生,那么就可以合理地得出这样的结论:是轨道行星的引力拖曳造成。同样,这种摆动需要频繁地重复,这样才有可能用望远镜捕捉到它。然而,径向速度法相对于凌日光度法的一个主要优点是,从地球上的天文学家角度来看,行星不需要穿过它的恒星。想象一颗行星绕着它的恒星在一个相对于地球边缘轨道上运行。从我们的角度来看,这颗行星在恒星中引起的摆动将是一个最大值:恒星向我们或远离幅度最大(当然,这种运动的量确实很小,但仍然可以用现代望远镜测量)。

另一方面,如果这颗行星轨道在一个面朝上的平面上运行,也就是说,我们可以从有利的位置把整个轨道看作一个圆,那么就不会看到任何抖动。所有对恒星的引力都在轨道平面上,恒星光的性质没有变化,就无法探测到。但是,如果一颗行星轨道所在的平面对我们来说既不是边缘也不是面朝上的呢?探测到的抖动是整个抖动的一部分,由于摆动的大小与绕轨道运行的行星质量有关,只能测量该行星质量的最小值。这很重要,因为质量等同于大小:质量小的行星比质量大的行星更有可能是岩石行星。

这就是多种探测方法都很有用的地方,因为如果凌日光度法可以测量行星的大小,径向速度测量可以给出行星的质量,那么就可以计算系外行星的密度。密度高的行星比密度低的行星更有可能由岩石构成,比如地球或金星。密度低的行星主要由气体组成,比如海王星和天王星。但对于仅以径向速度探测到的系外行星来说,不可能知道其测量到的质量值是否准确,因此这种行星的性质,无论是岩石还是气体,都不确定。天文学家当然知道这一点,除非已知行星轨道相对地球的角度(比如利用凌日光度法),否则用径向速度法发现的系外行星质量是最小的。

这是一个充分认识到科学不确定性的例子。但对于不太熟悉系外行星是如何被发现的人来说,这种不确定性并不明显。例如,欧洲南方天文台宣布发现比邻星(Proxima Centauri)运行的行星。这颗名为Proxima b的行星是用径向速度法探测到,它的最小质量是地球的1.27倍,是一颗岩石行星。但是完全有可能Proxima b更大,甚至可能是一颗迷你海王星,迷你海王星看起来一点也不像地球这样的岩石世界,但比邻星b就存在这种不确定性。

博科园|研究/来自:北卡罗来纳州立大学/Paul Byrne

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