围绕着Kepler-20的两颗地球大小的系外行星

(这大概是今天最重要的新闻了吧,Kepler又一次把惊喜带给了我们,虽说我个人不做系外行星,对这工作背后的不确定性和真正的科学意义了解的不多,不过这么重要的消息还是应该及时的介绍给大家,一起学习一下吧)

文章: Two Earth-sized planets orbiting Kepler-20

  • 作者:Francois Fressin, Guillermo Torres, Jason F. Rowe, David Charbonneau, Leslie A. Rogers, Sarah Ballard 等
  • 论文索引:Nature, Letter, 2011.11.20
  • 编辑整理:南京大学 黄崧

本文概要:

Kepler卫星前不久刚刚把第一颗围绕类太阳恒星系统的系外行星的发现带给了我们,利用最新的掩星观测,Kepler卫星已经充分证明了,我们真的处在了一个探测类地球行星的时代了,在本文的发现之前,已知的最小的行星的半径是地球的1.42倍,体积是地球的2.29倍,而这次,Kepler卫星再次给力的在一个已知有三颗巨行星的热星的周围找到了两个小半径行星存在的证据,这两个家伙的半径分别是地球的1.03和0.87倍,如果观测属实,不仅刷新了探测到的最小行星的记录,而且意味着探测到了至少在体型上和地球很相近的系统;由于Kepler使用的掩星方法并不真的确认行星的存在,而目前这两颗行星对整个系统的引力影响还不能被现有的光谱仪器探测到,对这个发现作者也进行了更仔细的检验,通过各种测试,作者认为探测到的这两个行星的信号不会和另一种解释,也就是目标星的观测受到了背景上的食变系统或者自己的伴星的掩食的影响,混淆起来;下面我们来具体的看一下本文的发现吧。


fig1

图一:Kepler-20e,f的掩星光变曲线


fig1

图二:两颗新发现的小行星的主要性质列表

主要工作:

利用过去670多天的高精度连续测光资料,Kepler卫星已经在这颗现在被称为Kepler-20的G8光谱型的恒星中找到了5个可能的掩星信号,其中有三颗质量相对大的行星已经得到了比较好的确认,他们分别是kepler-20b,c,d,这三个家伙的半径分别是1.91, 3.07和2.75倍的地球半径,在这三个明确的探测之外,还有两个比较弱的探测,也就是本文认证出的两颗小半径行星(Kepler-20e,f),这两颗行星产生的掩星光变相对程度只有可怜的百万分之82和101,他们的轨道周期分别是6.1天和19.6天,按照一般的计算方法,这两个小东西的半径分别只有0.87和1.03倍的地球半径,在上面的表中可以看到更为详细的这两颗行星的数据资料。

前面已经提到了,Kepler得到的只是一系列测光数据,其中有一些产生和行星掩星相似信号的假探测的可能,比如当有背景恒星和目标恒星处于同一个测光孔径中,而背景恒星也是一个掩星系统的时候,这些可能必须被仔细的排除掉,首先,利用高分辨的成像观测,确认了没有背景恒星可以干扰对Kepler-20的测光,而且利用Keck望远镜的高分辨光谱观测,也排除了主星有一颗围绕他运转的褐矮星或者小质量恒星伴星的可能,但是目前地面最好设备的观测能力,也暂时不能利用另外一种视向速度方法把这两颗小行星确认出来。


fig1

图三:对Keper-20e,f分别进行的来自于背景掩星系统的假信号的可能的检验

为了进一步确认新发现行星的信号的置信度,除了上面的这些直观观测确认之外,作者还使用了很严谨的统计方法,比较发现新行星和假探测各自的概率,来进一步的确认;为此,作者使用了一个被称为BLENDER的技术方法,这个技术在之前的小系外行星的确认和排除中得到了很好的应用,比如在Kepler-9 d, Kepler-10 b和 CoRoT-7 b上面,这个方法的大意就是比较一系列模拟生成的食变双星的掩星光变曲线和Kepler得到的观测结果,关于这个技术的具体实现,请参考延伸阅读部分;作者使用这个方法,模拟了大量的掩星光变曲线,这些模型考虑了不同的恒星类型,到主星的投影距离,大小,亮度,轨道椭率等等参数,然后讲那些和Kepler观测结果明显不符合的情景排除,只留下那些比较接近的情况。接下来,作者通过Monte Carlo方法来模拟观测收到了背景源影响的情景(似乎这个就叫做blend),从现有的银河系模型中,作者提取了围绕这观测恒星位置1平方度范围内的80万颗主序星的信息,然后基于已知的信息对每一颗恒星一个伴星,可能是恒星,也可能是行星,让其成为一个掩星系统,其中对于掩星来自于行星的部分,行星的半径分布就来自Kepler自己观测的结果;之后,对这些恒星模拟Kepler的观测,看有多少能够产生上面BLENDER程序给出的比较接近观测结果的情况,通过这个过程可以分别得到Kepler-20e,f的观测是来自背景上掩星系统干扰影响的假探测的概率,作者发现,这两个概率都非常的低

此外,还有一种产生假探测的可能,就是探测到的掩星信号来自于围绕目标星的物理伴星运动的行星的影响,对于这种情况,作者同样利用大量的模拟进行了测试,作者最后的结论同样是,相比于Kepler-20e,f是真正的行星探测的可能,这种情况的概率要低的多,而且如果这颗物理伴星真实存在的话,应该已经能被测光或者光谱观测所发现了。当然,实际上,作者对Kepler-20e,f的探测真实性的检验还做了更多的测试,比如需要结合Kepler已经给出的处于和Kepler-20e,f相近的半径范围内的候选行星的数量给出对Kepler在其观测的所有恒星中发现这样小的行星的概率,这部分的技术细节我实在是不太清楚,请感兴趣的同学自行参阅参考文献吧。总之一句话,作者现在对这两颗行星的发现已经很有信心了。


fig1

图四:Kepler-20e,f的预测性质和地球,金星,以及其他Kepler发现的小质量行星的比较在质量-半径关系图上的体现

虽然缺乏质量测量,也就无法知道行星的密度和组成,不过作者还是认为这两颗行星的组成可能和地球比较接近,甚至对其具体的性质做了大胆的预测,按照作者的考虑,Kepler-20f应该很可能是一个有着高密度rocky核心,然后外部物质中有少量的水的行星,虽然我真的不了解这样的预测是怎么估计出来的,不过听上去确实让这个发现更加的诱人了;不过除了诱人的故事,这样的预测其实也展示了类似的本文的发现对于类地行星的形成演化的研究的重要性,这些行星含有多少水成分,能不能形成大气层,能不能保持住这样的结构等等;此外,结合这些估计给出的行星的质量和Kepler给出的轨道信息,作者给出了这两颗行星对主星系统的引力作用在视向速度上的体现,对Kepler-20e,这个值在15-62cm/s,对于20f,这个值在17-77cm/s之间,这个速度暂时还超出了现有光谱设备的观测能力,不过相信在不远的将来一定能够实现对这样系统的视向速度测量的。

延伸阅读:

  • 1. 关于文中提到的BLENDER技术在另一颗行星Kepler-9d上的具体实现
  • 2. Universe Today上面对本文报道的介绍,比我写的好多了
    • 分享到:

    2 Replies to “围绕着Kepler-20的两颗地球大小的系外行星”

    1. Lu-Ming Sun

      MSIE 7.0 Windows XP

      =”这三个家伙距离主星的距离分别是1.91, 3.07和2.75倍的日地距离”
      这句话有问题吧,人家可是比水星的轨道半径还小的。
      ======

    Leave a Reply

    Your email address will not be published. Required fields are marked *

    This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.