新的方法可以揭示新颖的、可居住的系外行星

大多数系外行星经由过境方法已经被围绕单个恒星发现。但双星系统可能包含甚至更多的它们。

STARTS WITH A BANG — OCTOBER 25, 2022

Ethan Siegel

有一半的恒星不是像我们自己的恒星那样的单个系统，而是作为多恒星系统的成员存在：双星或更多的。围绕一颗与它的母星很好隔开的低质量伴星有可能存在拉格朗日点系外行星，甚至可能是适合居住的。没有发现一个，但这可以说是因为我们还没有想过要寻找它们。

(Credit: ESA/ATG medialab)

关键要点

到目前为止，已经发现了超过5000颗系外行星：主要是围绕单个恒星，大多经由过境方法，其中一颗行星从它的母恒星前面经过。

     然而，50%的恒星被在多恒星系统中发现，最常见的伪阳候选系外行星原来是一个日食的双星系统。

许多这样的系统很可能是拉格朗日点系外行星的家园，这是一种从未见过的系外行星类型。

仅仅寻找它们可以揭示一整个潜在的可居住世界的新种群。

在那里在宇宙中，在恒星从富含重元素的分子云形成的地方，对岩石行星生命发生在它们上来形成有适合的成分是有可能的。对地球之外的生命的追求------无论是在我们的太阳系内还是在银河系的其他地方------都是21世纪众所周知的科学的圣杯之一。就在30多年前，我们只知道我们太阳系内的行星，今天在很大程度上多亏过境方法和开普勒和特斯斯等太空天文台，现在已知的系外行星数量超过5000颗，而且继续来增长。

但人们必须来好奇我们正在错过的。我们的系外行星的搜索已经揭示了大量的它们有一个质量和大小的不同种类，但几乎所有的它们都已经被发现在单个恒星周围：没有一个双星伴星或另外作为一个多星系统的成员存在的。也许有十几个已知的环绕双星：在那里一个系外行星在一个比隔开两个中心恒星距离更大距离上环绕的两个紧密环绕的恒星，但发现代表约50%的恒星系统中仅约0.2%的行星告诉我们正在缺失的某些东西。

这里是一个新颖的、壮观的可能会缩小这个间隙前所未有的揭示多星系统内的行星的想法。

系外行星TOI 700d是已知的第一颗位于它的母星的宜居带的岩石系外行星，这是由TESS使命发现的。它距离地球101.6光年远，并且可能正在探测到地球的第一个无线电广播。过境方法是迄今为止最成功的行星探测方法。(Credit: NASA/GSFC)

在我们开始之前来认识到这两件事是重要的。

行星只能在引力上是足够稳定的位置形成和保持。如果一个引力的组合会在那个位置上在比问题中的恒星系统的存在更短的时间尺度内要么甩要么撕裂开一颗行星，我们不能合理的期望在那里发现行星。

整整一半的恒星是多恒星系统的成员；只有50%的恒星存在于像我们自己的太阳系这样的系统中：只有一颗恒星没有其他恒星。然而约99.8%的发现的行星已经被发现在单个恒星周围，这表明在我们目前搜索中是敏感的一个巨大的偏见。

有一系列我们用来发现系外行星的方法，或者围绕非我们自己的的行星。有直接成像：对从与它们的母星足够隔开的大行星有用的。有恒星摆动（或径向速度）方法，在这种方法中来自它的轨道行星的引力在一颗恒星上的拖力以有规则的方式扰乱沿我们视线恒星的运动，对足够近围绕母恒星的质量足够大的行星是有用的。但最成功的发现行星的方法是过境方法，它揭示随行星经过它们的母星之前阻挡由它们母恒星发射的一小部分光行星的存在。.

在M51的这个特定区域内观察到的大通量下降可能被许多因素造成，但一个诱人的可能性是在M51星系本身内一颗过境的系外行星：距离它2800万光年。如果是这样的话，这将是在另一个星系中发现的第一颗过境系外行星。(Credit: R. Di Stefano et al., MNRAS, 2021)

观察上这个起作用的方式是我们：

长期观望一颗恒星，

观察它的通量，

并寻找随时间在观察到的通量中的“下降”。

当然，造成这有很多可能的原因。愿望的原因------一颗穿过它的母星表面的系外行星的存在------以一种特殊的光通量怎样下降的表现而来。如果它有规律地下降，同样的幅度有一个恒定的周期、少量的对应一颗行星的大小是可行的，这使一个极好的候选行星成为可能。如果对恒星的后续测量需要一些恒星的光谱测量，显示它的光谱签名周期性地从红变蓝并与已经观测到的通量下降周期对齐再回来，这是确认一颗过境系外行星的黄金标准方法。

但尽管重复的通量下降是来揭示系外行星的极优方法，但仅看到一组它们并不足以宣布我们有一颗已确认的系外行星。这只揭示一个系外行星候选；需要某种独立的确认来提升一个候选到一个已确认的系外行星。而且，正如你所料，有些候选相当没有做出这一切的。

按年份和方法记录的第一批5000颗系外行星的发现。在第一个15年左右，径向速度法是主要的发现方法，后来被美国宇航局的现在失效的开普勒使命开始的过境法取代。在未来，微透镜可能会超过它们所有。这些已确认的行星只代表全部候选行星的一小部分。(Credit: NASA/JPL-Caltech/NASA Exoplanet Archive)

其中一个混杂因素是内在的可变性。我们通常认为恒星和我们认为我们的太阳是一样的：它的亮度保持相对的恒定到一个惊人的精度。由于太阳黑子、等离子体温度和密度中的变化以及耀斑和质量抛射，太阳的亮度能从它的平均值变化到约0.14%。其他恒星有更大的内在变异性，因为它们的大气层能振荡，它们能比太阳更频繁、更有规律的耀斑，它们能嗝出尘埃模糊恒星。这些能导致假报：与系外行星毕竟没有任何关系的系外行星候选，只简单反映我们正在观察的恒星的可变属性。

然而，一个第二个令人困惑的因素是一个双星伴星的潜在存在：一个外在的变量的例子。当我们从很远外观察一颗恒星时，有不止一个恒星成员是该系统的一部分是有一个极好的机会的，但那个极端的距离意味着多个恒星成员是不可分辨的。如果这两颗恒星在一个对我们“正面”的方向中跳舞，这样我们的多个独立恒星盘的感知永远不会重叠，通量将仍然恒定的。但如果这两颗恒星相对于我们以一种“在边缘”的方向中移动，它们的圆盘确实重叠，它们都在它们的通量中展示有规律的下降，因为这两颗恒星并不总是同时完全可见的。

双星系统通常有不等质量、不等亮度并围绕一个位于两颗恒星外的重心运行。只有这种相对我们对齐是足够像在右边边缘上一样它将出现为一个日食的双星。(Credit: Zhatt and Stanlekub/Wikimedia Commons)

这种类型的结构被称为一个日食的双星，是现代系外行星狩猎中最常见的单一混淆来源。来自美国宇航局的开普勒使命------记住，我们的所有时间最成功的行星狩猎使命------近似的大约一半开普勒的系外行星候选原来毕竟不是行星，而是代表上面讨论的混杂因素之一。几乎所有没有成为行星的系外候选行星都相反是日食的双星：在它们的轨道舞蹈中相对于我们的视线明显重叠的双星。

这不应该作为一个令人惊讶来的。如果我们正在寻找一个正在恒星前方过境的行星的信号，那么除了一个比一颗行星更大、更大质量、更明亮的天体怎样可能造成我们正在寻找的信号类型中的一个“假阳性”很容易来看一个类似的几何形状。事实上，尽管50%的伪阳率似乎像是一个不可接受的高数字，但开普勒使命代表一个比以前的系外行星研究巨大的进步。在开普勒使命之前，大约90%的系外行星候选原来没有被确认；只有50%的结果是日食的双星是相当不错的！

垂死的红巨星R雕塑家当在毫米和亚毫米波长下观察时展示一组非常不寻常的甩出物：揭示一个螺旋的结构。这被认为是由于一个双星伴星的存在：某些我们自己的太阳缺乏但宇宙中大约有一半的恒星拥有它的东西。(Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Maercker et al.)

当到日食的双星时，有已经被观察到的一个巨大的周期范围。有些双星在仅仅几个小时内彼此日食：短至约4-5小时的时间并不少见。在另一端，一些双星要用很长一段时间：高达约30年。需要非常长的基线观测来建立这些更长周期的双星，但它们确实以不可忽视的数量存在。

一些双星系统涉及几乎完美的圆形轨道；另一些则涉及非常偏心的椭圆轨道。

有些双星系统发生在质量相似甚至同一的恒星之间；另一些涉及彼此之间质量非常不同的恒星。

有些双星系统存在有恒星演化相似阶段的恒星，比如两个成员都在主序上（在氢燃烧聚变阶段）；另一些由围绕一个主序星运行的巨星组成，一个可变的围绕一个非可变星运行的变星，甚至一颗围绕一个恒星残骸运行的恒星。

一般来说，日食的双星系统有三种主要的分类，但它们很少被观测到拥有行星。.

虽然在近年之前在三星系系统中已经发现了行星，但它们中的大多数要么是靠近单颗恒星运行要么是围绕一个中心双星的中间轨道运行，而第三颗恒星要远得多。GW猎户座是第一个有一颗行星同时围绕这三颗恒星运行的候选系统。对我们的视线环绕边缘上的恒星将潜在的展示过境系外行星穿过甚至它们环绕的非主恒星。(Credit: Caltech/R. Hurt (IPAC))

这并不是因为双星系统（或有三颗或更多恒星的多星系统）没有被预料到有行星；这是因为这不是我们的搜索已经被优化目的的。但有一类应该至少围绕一些这些双星系统的行星存在：

超常容易来发现，

可能极端的常见，

其中许多甚至可能是适合居住的（或有人居住的！）行星

你看，当任何两个重要的质量彼此环绕时，它们环绕它们的相互的质心：一个被称为重心的点。对两个质量更轻的也有五个额外的点，如果你把一个质量正好放在这五个位置中，这两个质量结合的引力将造成质量像更轻的质量一样的同一轨道周期不改变它的相对位置。这五个点------被称为拉格朗日点------在天体物理学中是令人难以置信感兴趣的。

虽然L1、L2和L3点引力上都是不稳定的，在这些位置内或周围的天体需要重复的航向修正来仍然在那里，但L4和L5引力上是稳定的，在适当的条件下，在这些位置内或周围的天体能无限期地仍然在那里。

每一颗围绕一颗恒星运行的行星都有五个位置，共同环绕的拉格朗日点。一个精确位于L1、L2、L3、L4或L5的天体将继续以第二体一样相同周期环绕母恒星，但仅L4和L5是稳定的，而且只有主质量和次质量的质量比是足够大。这种引力效应既能适用于双星系统也能适用于恒星-行星系统或行星-卫星系统。(Credit: NASA)

这在我们自己的太阳系中以巨大的效率发生，因为巨行星特别是木星有大量的围绕着它们的L4和L5拉格朗日点运行的天体。这些岩石和冰的天体被统称为特洛伊，“前面的”（L4）和“后面的”（L5）天体分别分为希腊和特洛伊营地。这些天体群通常是在太阳系历史晚期被引力上捕获的，就在行星形成已经结束之后。其中一些由于引力的相互作用是短暂的并将被甩出，但只要太阳系继续存在一些可能会仍然稳定的或准稳定的。

对一个要么在L4要么L5轨道中的天体仍然稳定的条件只有三倍：

创造拉格朗日点的更大质量和更小质量之间的质量差必须约为25：1或更大。

在L4/L5附近或围绕L4/L5的天体的质量必须是共同轨道体质量的不显著的（再次小于约4%）。

而且在这个系统中一定没有其他重要的能作为一个引力不稳定性的质量来源。

只要满足这些条件，相对于更高质量的围绕更低质量天体应该是5个拉格朗日点------2个稳定点和3个不稳定点。

就像恒星往往以双星、三星和更多群的多星系统存在一样，棕矮星也是如此：失败的恒星。有可能有足够的隔开和足够的不匹配的质量来使稳定的L4/L5拉格朗日点成为可能的多恒星系统，它们有潜在的成群的天体或甚至是成熟的系外行星。(Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI))

当到双星时虽然它们中的大多数倾向于来形成可比较质量的双星，特别是对更亮、更发光的双星对，但也有很多不匹配的双星的例子。系统越宽（即分离距离越大），质量差越大，那么L4和L5点将越稳定。这能是真的，超过十多亿年的时间尺度，甚至对没有达到临界的25：1比率或系统中有显著其他质量的系统；每个特定的结构必须被定量计算来确定不稳定的特别水平和时间尺度。

但对于确实符合适当的稳定标准的日食的双星系统，一个令人着迷的可能性浮现。不仅可能有一群天体围绕L4和L5点------代表一个云一样可以阻止来自双星系统更大质量成员光的一部分的分布------但有一个真正的可能性，特别对隔开很好的实在的质量差异的双星，真正的拉格朗日行星存在。如果最初的双星原恒星有围绕它们的有大的隔开和质量比的星盘形成，行星的形成可能已经将质量溜进L4和L5点。

这将导致位于更低质量恒星的拉格朗日点的大质量系外行星，如果我们的双星系统是一个足够对齐的日食的双星，这些拉格朗日系外行星以每个和每一个环绕过境过更高质量的恒星。.

当两颗双星彼此日食时，一定量的光会被阻挡，这取决于两颗恒星的盘的相互重叠。如果有一颗拉格朗日点系外行星存在，那么一个在轨道中要么更晚要么更早增加的60度（代表轨道的六分之一），一个更小的通量下降将显示它自己：要么是一群天体的证据，要么令人兴奋的是一个行星一样的天体。(Credit: NASA’s GSFC/SVS/Katrina Jackson)

重要的是要记住，在我们搜索系外行星中，这真的是一个数字游戏。据估计在我们自己的银河系中有大约4000亿颗恒星，其中50%是多星系统的成员。当然，它们中的许多将处于紧密的轨道中，其中许多将有多个成员的接近相等的质量。但在这些约2000亿颗恒星中有一部分会：

在宽的轨道中，

有大的质量差异，

并且将让它们的L4/L5点在数十亿年的时间尺度上引力上稳定的。

对于这些这样的系统，它们将成为极好的候选，不仅拥有围绕L4和L5拉格朗日点附近的一群天体，而且它们甚至可能拥有精确位于L4和L5的行星。

如果这些系统恰当的与我们的视线对齐，就像我们观察日食的双星一样，我们也能观察到这些拉格朗日点系外行星的过境。值得注意的是，不仅仅是质量巨大、寿命短的恒星可能有一个更低质量的双星伴星可以满足这一标准；一个质量低约2个太阳质量的恒星可能有一颗有完美稳定的L4和L5拉格朗日点的红矮星伴星。我们甚至从来没有围绕这样的系统寻找过系外行星，但有正确的轨道参数，拉格朗日点系外行星甚至可能是岩石和可居住的。也许是时候来扩大我们的搜索范围了，因为除非我们看我们不能确定知道在那里有什么。

作者感谢杰西·克里斯汀森博士（Dr. Jessie Christiansen）和博士候选艾略特·弗里杰莫特（Eliot Vrijmoet）关于这个主题的有用的通信。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/new-method-habitable-exoplanets/