吴京平科学大视野 01｜太阳系古怪吗——开普勒太空望远镜的困惑
开普勒太空望远镜
最近天文学家们发布了一份报告，详细列举了发现的太阳系外行星，有些已经确认，还有一些是疑似。这些发现都是从开普勒太空望远镜发回的数据里面分析出来的。开普勒太空望远镜每个月要休息一天，这一天会把观测到的数据发回地球。一次差不越多要发10G。开普勒探测器是在离地球150万公里的拉格朗日点上，从那儿发回来的数据都是很宝贵的。
目前我们大概发现了2335颗已经被证实的太阳系外行星，还另有1700颗疑似行星的家伙。目前还没能最终确认。我们关心的当然是那些位于宜居带的行星啦，比如长得像地球大小的。位于宜居带，而且跟地球大差不差的行星，大约是30颗。还有20多颗等待确认，现在还没能肯定。
最开始，人类发现太阳系外的那些行星，基本都是些奇葩。比如一颗地狱行星，几个钟头就绕着自己的母星转一圈。要想转的这么快，那么这颗行星必定离开母星非常近。那么这颗行星的表面必定温度高的吓人，因此这样的行星堪称地狱行星。还有些行星属于冰火两重天，忽冷忽热。这样的奇葩显然与我们和谐有序的太阳系大不相同。
那时候的科学家们也很不爽，为啥我们的太阳系这么特殊呢？其实这很好理解。当时发现手段是非常有限的，能被发现的，都是些奇葩。只有那些奇葩才容易被我们看到。因此这是一种“观察者偏差”。
那么科学家们是如何发现太阳系外行星的呢？这东西离的太远了，不可能像太阳系内的大行星一样，可以拿望远镜看到。那么只有一个办法，那就是观察那些恒星，看看他们是不是在摇晃，或者是绕圈圈。但是这些晃动非常微小。就拿太阳系为例，99.75%的质量集中在太阳上。剩下的那些行星和冰雪尘埃划拉到一起也不到一个零头。因此，你也可想而知太阳的晃动是非常微小的。好在最近一些年，观测技术大幅度提升。所以大家就可以从恒星微小的晃动里面把行星给挑出来。哪个恒星在晃，那么必定是带有行星的。晃与晃还是有区别的。现在发现太阳系外行星的办法一共也就5种：
1.比如说看到某颗恒星在那里画圈圈打转。那么必定带有行星，或者是一颗非常暗弱的伴星。但是我们能知道的信息，也就这么多了。
2.假如一颗行星围着它的木星旋转，我们地球上恰好可以看到行星从母星表面通过。就像水星凌日那样。那么我们就可以知道必定存在一颗行星，这种办法叫凌星法。
3.利用光谱的偏移，假如恒星在晃动，光谱也会偏移，忽左忽右的晃。那么我们也能分析出行星的信息。
4.还有一种野蛮暴力的办法。我们用遮挡物挡住恒星的光辉。那么恒星周边比较大的行星很有可能被直接看到。但是小不点就够呛了。
5.最后还有个办法，那就是某个行星，实在是太过凑巧，遮挡了某颗八竿子打不着的恒星的光，巧不巧被我们看到。我们也可以完成某种推算。
总体说来就这几个办法。科学家们最喜欢的办法是凌星法。因为获得的信息最多嘛。看看恒星的光变暗了多少，我们可以大体推测这个行星的大小。假如是突然变暗的，说明没大气。假如渐渐变暗再渐渐变量，那么说明有大气层。看看光谱的变化，我们还可以判断一下大气成分。其他的办法是没办法得到这么丰富的信息的。
我盯，我盯，我盯盯盯
那么最开始寻找的都是周期比较短的行星。大家也好理解，发现某颗行星的光突然变暗了一下，很快又恢复了。那是继续盯着呢？还是放弃呢？这是个很严重的问题啊。要知道，地球这一类行星的周期可是一年啊。难道人家要盯着某颗恒星看一年？假如发现过了一年，这个恒星又暗了一下，那么你心里就打鼓了，这是不是一个周期呢，还是偶然现象？恒星上出了一大堆黑子？你不得不再等一年。假如第三次看到恒星准时又暗了一下，那么基本肯定是一颗行星在遮挡恒星。花了好几年了吧。早期天文学家们没那么长时间来盯着看，那么从短期积累的数据里面能挑出来的，就是那些周期很短的行星。
这就是观察者偏差的来源之一吧。但是这种观察者偏差在开普勒探测器升空以后得到了很大的改善。开普勒这个望眼镜很有意思。它是不成像的望远镜。它不干别的，每个像素盯着一颗恒星，只负责监控恒星的亮度。好几千个传感器一直死盯着天鹅座到天琴座的一块区域。这个区域密密麻麻有15万颗恒星。因此开普勒望远镜只要盯死这块区域，死盯几年，就会有批量的成果报出来。果不其然。开普勒发现了很多成果，现在数据积累了一大堆。有两类行星是最多的：
1.超级地球
大约是地球大小的1.5倍的样子。典型就是大名鼎鼎的开普勒452b了。这个星球引人遐想，公转周期385天，比地球上稍长。直径是地球的1.6倍。可以说是个典型的超级地球。和地球相似度很高。
2.迷你海王星
比海王星小点儿有限。最典型的是开普勒22b，直径是地球的2.4倍，离开地球600光年的样子。
系外行星里面巨型的气态行星也有不少，甚至比太阳系的木星还要大得多。但是，比超级地球大一点儿，比迷你海王星小一点。在这个区间之内。行星的数量断崖式下跌。算起来，现在开普勒发现的系外行星的数量也不少了，很难用观察者偏差来解释。为啥大的也有，小的也有。就是中不溜的没有呢？难道恰好中不溜的看不见吗？这解释不通啊。
地球和几颗超级地球的“合影”
这可就说来话长了，恒星系诞生之初，是一个气体尘埃盘。中间凝聚成一个大核球。随着引力收缩，这个气体球越来越密实，温度越来越高。中间是个大火炉子，离开中间的原恒星越远，那么越凉快。远处温度低的地方，到处都是微小的尘埃和冰晶。它们不断碰撞不断融合，形成了无数的小块，就相当于砖头瓦块建筑材料，在不断的碰撞融合过程中，最后形成了几大坨，继续吸附周围的尘埃颗粒，这就是行星的雏形。假如不凑巧，这个行星长到地球这么大，周围的材料用光了。那么也就这么大了。再也长不大了。但是假如周围条件好，砖头瓦块比较多。行星涨到了1.5倍地球的大小。那么就获得了一个能力。那就是把宇宙间最丰富的氢核氦牢牢地吸住，不让它们跑掉。于是赢家通吃的疯狂历程就开始了。吸收了越多的氢和氦，质量越大，质量越大就越是能够牢牢地吸附更多的氢和氦。因此假如行星跨过了这个门槛，必定会成为人生的赢家，迅速长大。最起码能达到迷你海王星的阶段。谁要是第一个跨越了这个界限，那么就很有可能疯涨成木星那样的巨行星。这就叫赢家通吃，马太效应。
想去太空看看
但是太阳系看起来又变得与众不同了，超级地球和迷你海王星，这两类最常见的行星，在太阳系里一个也没有啊。这是怎么回事儿呢？天文学家们只能猜测，当年木星形成的时候，在原行星盘里面并不老实。它是第一个形成的，但是木星这个大哥形成以后，把很多砖头瓦块这些建筑材料扔出了太阳系，导致后边的弟弟妹妹们发育不良。因此太阳系才会缺乏超级地球和迷你海王星之间的这种中不溜大小的行星。
当然啦，这些都只是天文学家的猜测，毕竟没人能穿越回到行星刚形成的那个年代去亲眼看看。科学就是这样，看到一个现象，科学家们总会提出一些合理的猜想。至于这些想法是不是正确的，那么就只有留给后人去研究了。毕竟后人的技术水平会比现在要强得多。太空里还有更多的未解之谜等待着人类去探索呢。
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