【博科园-科学科普】我们的星系（银河系）中有多少行星？这是一个30年前的问题，当时人类还没有发现太阳系之外的第一颗行星。快进到今天已经直接找到了成千上万，绝大多数是由NASA的开普勒任务发现的。但尽管开普勒取得了成功以及所有这些新发现，更值得注意的是它所忽略的所有行星有多少呢？
从美国国家航空航天局(NASA)找到的行星探测太空望远镜开普勒(Kepler)的概念图。图片：NASA Ames/ W Stenzel
由于开普勒使用的是凌日法来探测系外行星，所以有多少是由于非黄道排列而失去发现机会呢？这个答案有两个部分：遗漏了99%以上的部分，而遗漏的大部分(甚至是大多数)都与对齐无关。
对开普勒发现的行星的全套插图，图片：NASA /W. Stenzel
美国国家航空航天局(NASA)的开普勒(Kepler)航天器的工作方式是其主要任务结束前在我们的银河系的一个小区域(大约3光年)中观察一个小区域。通过观察银河系的一个螺旋臂，即使它的视野狭窄，也能监测了大约15万颗恒星，寻找微小的、周期性的亮度变化。特别的是如果一颗恒星在短时间内被少量的亮度调暗，重新恢复到原来的亮度，然后再次出现同样的强度和持续时间的下降，这将被标记为候选行星。
主要过境(L)和发现系外行星在开普勒外行星小koi64的母星(R)的后面。
这被称为系外行星发现的过境法。太阳系可以存在于任何相对于我们的方向上，但每隔一段时间就会发现它的行星围绕着它们的恒星运行，这样它们就会在恒星的前面与我们的视线相对。除了行星，还有其他的现象可以导致一次下降，包括：
1、在我们的太阳系中，一个经过的小行星或柯伊伯带天体
2、在星际空间深处的一个流浪星球
3、一个双星，其中一个超过另一个
4、或者是恒星本身内部的可变性，比如一个大的低温太阳黑子
2006年水星凌日，但太阳表面的大太阳黑子实际上减少了它的光输出，这是一个更大的因素。图片：Williams College; Glenn Schneider, Jay Pasachoff, and Suranjit Tilakawardane
但如果重复的幅度相同，特别是在多次重复的情况下就会成为用另一种方法进行后续观察的优秀候选者。开普勒发现的行星中有一半已经被证实为实际的行星，目前已有数千颗。在开普勒视野的15万颗恒星中并不算很多。
开普勒望远镜的视野大约有15万颗恒星，但只有几千颗恒星被观测到。理论上，几乎所有这些恒星都应该有行星。 图片：Painting by Jon Lomberg, Kepler mission diagram added by NASA
恒星可能是相当大的实体，即使最小的行星直径也超过10万公里，但距离行星的距离是巨大的，在它们的半长轴上，从数百万到数十亿公里不等。在我们自己的太阳系中，离太阳最近的行星是水星，而且它经常在太阳的前面。但这只是因为我们太阳系的所有行星都在同一平面上！如果我们在太阳系之外，相对于我们自己的黄道平面，我们很可能是随机方向的，只有很小一部分的方向我们才能看到水星的运行。
从空间的随机方向来看，考虑到每个行星相对于太阳的相对大小和轨道距离，我们可以计算出一个过境的概率。离太阳越远，几率就越低。这个分析并没有解释大小或时间。图片：E. Siegel
事实上可以计算出太阳系中的每一颗行星，离的父恒星越近，即使水星有不到1%的几率让它的飞机与观察者保持一致，但是随着时间的推移会像木星一样遥远，几率只有1 - 2000。显然绝大多数的行星都被开普勒所忽略，而交运动方向是其中的一个重要因素，但也有其他因素可能更重要。
开普勒设计的目的是寻找行星凌日现象，在那里一颗大的行星围绕着一颗恒星运行，可以阻挡一小部分的光，从而将其亮度降低到1%。相对于它的母星来说越小，就越需要建立一个强大的信号。图片版权：Matt of the Zooniverse/Planet Hunters team
规模也扮演着重要的角色。也就是说行星与其母星的相对大小。如果一个行星在运动过程中覆盖了其母恒星表面的1%，那么开普勒就能很容易地看到它。如果它只阻断了0.1%的轨道，那么它就需要10个轨道才能产生与之前的情况一样重要的信号。100%的水星大小的行星太小，不能在类似太阳的恒星周围看到。因此所有火星大小的行星都是如此。这是最容易看到的最小的恒星周围的最大的行星，这与开普勒发现的完全一致。
2016年5月当最大的新系外行星被发现时，开普勒根据其大小分布发现的行星数量。超级地球/迷你海王星世界是目前最常见的，只有一小部分行星比地球小。图片：NASA Ames / W. Stenzel
最后还有时间问题。开普勒的任务只持续了3年，所以它只能探测到一个行星的多重凌日，而这个行星的运行时间要比它短得多。我们太阳系的所有气态巨行星，尽管它们的大小都是完全看不见的！如果我们把这些都放在一起，就会发现有一些主要的因素需要聚集在一起，以便开普勒探测到一个过渡行星：
1、行星系统的取向/排列必须足够好，让行星从我们的角度来面对它的恒星
2、相对于恒星的大小，这颗行星必须足够大，足够的光被阻挡在一个给定数量的过渡物上，以便进行探测
3、行星必须足够接近其母恒星，在观测期间至少有两次过渡
虽然开普勒发现了地球大小的行星，但绝大多数被发现的行星都比地球大，比地球更接近其母星，这可能只是因为这些行星是最容易找到的。图片：NASA Ames / W. Stenzel; Princeton University / T. Morton
我们很容易观察到目前为止所看到的行星的数量，并推断出银河系中所有恒星应该有多少颗行星，但没有足够的数据。我们已经测量了整个恒星系统，基于距离/轨道周期关系，可以有把握地说到目前为止，我们已经发现了至少1000倍的行星。但对于太阳系的外部部分，我们还没有足够的数据来了解。用目前的方法需要调查几百年才能知道什么是典型的，但还有另一个希望。
LUVOIR太空望远镜的概念设计将把它放在L2拉格朗日点，一个15.1米的主镜将展开并开始观察宇宙，给我们带来数不清的科学和天文财富。图片：NASA / LUVOIR concept team; Serge Brunier (background)
像巨大的麦哲伦望远镜和欧洲超大望远镜这样的30米级望远镜将能够从反射光线中直接将外部行星模拟出来，而终极梦想机器LUVOIR，一个10 - 15米的望远镜，将提供一种难以想象的现有技术的行星。在我们知道什么是肯定的之前，所能做的就是设定更低的限制并做出估计。我们目前认为银河系中可能有数万亿颗行星。幸运的是适量的资金以及大量的辛勤工作，这可能是我们在短短几十年里就知道的科学答案的因素。
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
