美國航天局的開普勒太空望遠鏡于2009年3月7日發(fā)射，其任務是在天鵝座和天琴座115平方度的天空中觀測150,000顆恒星的亮度，以尋找過往系外行星的周期性傾斜。其目的是建立一個龐大的系外行星數(shù)據(jù)庫，使科學家能夠探索行星系統(tǒng)的結構和多樣性。開普勒望遠鏡的構造和觀測策略是專門設計的，以便能夠探測到在類太陽恒星周圍的類地球軌道上的地球大小的行星，其視力等級為12級。

在開普勒飛行任務開始之前，人們希望能夠探測到一些潛在的類地球行星。雖然開普勒在2009年5月至2013年5月的主要飛行任務期間發(fā)現(xiàn)了2,345顆已確認的系外行星(目前仍在統(tǒng)計中)，但其中沒有一顆可以被視為真正的地球孿生兄弟。在開普勒任務中絕大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都是圍繞比太陽小的恒星的短周期軌道上的較大行星——這種類型的世界不僅比類地行星常見得多，而且更容易探測。這次任務中發(fā)現(xiàn)最多的類地行星可能是開普勒186f和開普勒442b。不幸的是，這些世界比地球大一些，如同一個慢速或同步旋轉器，并分別圍繞著昏暗的M型和K型恒星運行。雖然它們可能是適宜居住的，但其行星環(huán)境并不十分像地球。

但除了發(fā)現(xiàn)已確認的系外行星之外，開普勒在其主要任務期間還發(fā)現(xiàn)了2420顆候選系外行星，這些行星仍需要后續(xù)觀測才能確認其行星性質。其中還有一些類似地球的行星繞著類太陽恒星運行。其中有一顆候選行星似乎定期在網(wǎng)絡上受到一些關注，它就是KOI-4878.01——第一顆被發(fā)現(xiàn)的圍繞開普勒興趣天體4878運行的系外行星候選行星。那么，這顆候選系外行星的性質和狀態(tài)如何呢？

開普勒望遠境的探測

KOI-4878是一顆V星等12.4，位于天龍星座，靠近開普勒在其主要任務期間監(jiān)測到的星域外緣。由于它的昏暗，它只是錯過了19世紀末20世紀初的大星巡天中的編目，而且由于它微不足道的本體運動，在20世紀也沒有引起天文學家的注意，他們一直在尋找具有高本體運動的昏暗恒星。KOI-4878首次被編入目錄，是1997年至2001年進行的2MASS（2微米全天空巡天）項目的一部分，獲得了2MASS J19045474+5000488的稱號。

由于選擇了開普勒望遠鏡要監(jiān)測的星域，KOI-4878隨后被列入開普勒輸入目錄，并被命名為KIC-11804437。根據(jù)當時的最佳測光結果，KOI-4878的有效溫度估計為6031+143/-168K——比太陽稍熱，符合晚期F型星的特征。其半徑估計為太陽的1.068+0.389/-0.145倍，質量為太陽的0.972+0.143/-0.110。根據(jù)這些數(shù)值，估計其光度約為太陽的1.35倍，距離約為1,200光年。

對開普勒的主要飛行任務數(shù)據(jù)進行分析，從第一季度（Quarter 1）到第12季度，KOI-4878的數(shù)據(jù)顯示了三個時間間隔相等的可能的過境事件。在第一季度、第六季度和第十一季度觀察到的事件中，由于開普勒的姿態(tài)發(fā)生周期性變化，使這顆恒星進入了無法使用的焦平面陣列的視野，因此在第十六季度錯過了預計的第四個事件。第十六季度之后對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析表明，這些事件發(fā)生的周期為449.015±0.021天，持續(xù)時間為12.6±1.0小時，深度為94.2±13.1 ppm。該候選行星被命名為KOI-4878.01。

將這些開普勒分析結果與KIC對宿主星特性的估計結合起來，就可以得出KOI-4878.01的特性。假設軌道周期等于兩次變軌之間的時間，KOI-4878.01的軌道半主軸為1.137 +0.053/-0.040 AU（不確定度由宿主星質量的不確定度決定）。將這個值與KOI-4878的估計光度結合起來，這個候選行星的有效恒星通量（Seff——從宿主星接收到的能量與地球從太陽接收到的能量的比較）是一個非常類似于地球的1.05。根據(jù)過境的深度和KOI-4878的估計大小，KOI-4878.01的半徑應該是地球的1.04+0.38/-0.14倍。

但這些特性是否符合KOI-4878.01可能適宜居住呢？根據(jù)對類似大小的系外行星的觀測，這個世界的概率更傾向于像地球一樣的巖石行星，而不是一個富含揮發(fā)性的迷你海王星，沒有宜居的前景。類似地球的Seff值看起來也很有希望。根據(jù)Kopparapu等人的建模，一個地球大小的行星繞著類太陽恒星運行的可居住區(qū)（HZ）的保守內緣處于約1.11的Seff值，對應與KOI-4878的距離是約1.11天文單位（AU）。再近一點，溫室效應就會隨著永久的水分流失而消失。即使KOI-4878.01和它的宿主星的屬性存在不確定性，但這個候選行星在宜居帶（HZ）內運行的可能性還是很高的，其條件可能非常類似地球。

那么，確認這顆類地行星候選星的阻礙是什么？作為開普勒正常數(shù)據(jù)縮減管道的一部分，KOI-4878.01接受了一系列測試來驗證這一發(fā)現(xiàn)。明顯的假陽性來源，如一顆遙遠的變星與KOI-4878的圖像混合在一起，已經被自信地消除了。問題來自于一些更微妙的統(tǒng)計測試。特別是，恒星圖像的中心點在過境期間出現(xiàn)移動的方式比平時大得多，這表明類似過境的事件可能是儀器偽影，而不是。我們需要的不僅是更多的過境觀測，而且還需要對KOI-4878本身進行觀測，以獲得更好的屬性值，從而幫助我們更好地掌握候選行星的屬性。

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新的觀測結果

由于需要更好地描述開普勒主要任務期間觀測到的所有恒星的特征，來自全球各地的一些天文學家小組一直在協(xié)調努力收集所需數(shù)據(jù)。LAMOST-開普勒項目就是其中之一。（LAMOST：Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope，大天區(qū)多天體光纖光譜望遠鏡）它是一臺4米級子午反射施密特望遠鏡，位于中國河北省興隆天文臺。LAMOST能夠利用一套光纖系統(tǒng)同時采集多達4,000個天體的光譜，是進行大面積光譜測量的理想設備。

在2011年5月30日至2014年9月29日的38個夜晚，共觀測到14個星域，以支持LAMOST-開普勒項目，覆蓋開普勒在其主要任務期間觀測到的區(qū)域。然后對光譜進行分析，得出最新的恒星屬性。在觀測到的51,385顆恒星中，有KOI-4878。根據(jù)Frasca等人的分析，KOI-4878是一顆光譜類型為G4V的恒星，有效溫度為5780±202K——與太陽基本相同。

下一個需要確定KOI-4878特性的重要數(shù)據(jù)是它的距離。歐空局正在進行的蓋亞（Gaia）天體測量任務首次測量了KOI-4878的視差。DR2視差的結果是1,135±7光年的距離--僅比基于KIC光度測量的估計值稍近。KOI-4878的正態(tài)運動速度為每年6.24毫弧秒。這只是上個世紀引起天文學家注意的適當運動的一小部分。

將這些最新的觀測結果與現(xiàn)有的測光結果結合起來，就有可能計算出KOI-4878特性的更好的估計數(shù)。由于KOI-4878的距離比之前認為的要小一些，這顆恒星的光度略低，是太陽的1.16±0.03倍。結合Frasca等人的新的有效溫度，KOI-4878的半徑現(xiàn)在估計是太陽的1.08± 0.02 倍。根據(jù)這個較低的光度，我估計KIC的質量值約為太陽的0.94倍。這些更新后的數(shù)值與KOI-4878比太陽更古老所顯示的情況是一致的。這顆恒星的低金屬性和相當高的空間速度也表明KOI-4878比太陽更古老。

有了這些更新的KOI-4878的屬性，我們就可以為KOI-4878.01推導出一套新的屬性。這些新的數(shù)值，以及之前基于KIC數(shù)據(jù)的數(shù)值，在下表中進行了總結。

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雖然KOI-4878.01的新半徑與之前的估計值基本相同，新的半主軸值也在之前的不確定性范圍內，但Seff值卻有所下降，使得這顆候選行星更有把握地位于該行星系統(tǒng)的宜居帶中。在我的計算中，最大的不確定因素是KOI-4878的質量。有可能這顆恒星的質量比我這里估計的更接近太陽的質量。但在這種情況下，KOI-4878.01的半主軸大小會稍大一些，將Seff降到0.90，這還是深入到這個比較保守的宜居帶（HZ）的定義中。根據(jù)這些初步的粗略計算，如果候選行星能夠被確認的話，KOI-4878.01是地球孿生星的情況似乎比之前要好一些。

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下一步是什么？

雖然未來對KOI-4878的觀測將幫助天文學家進一步完善它的特性，但更多的越日觀測將有助于確認KOI-4878.01的行星性質。遺憾的是，在13小時的過境期間，亮度變化僅為94ppm，地面觀測站將無法獲得足夠精確的所需數(shù)據(jù)。美國航天局的哈勃或斯皮策空間望遠鏡有可能獲得所需的數(shù)據(jù)，但任何人都很難證明，在數(shù)千顆開普勒行星候選星中，KOI-4878應該利用這些非常繁忙的天文資產進行觀測。

美國宇航局的系外行星巡天衛(wèi)星TESS于2018年4月18日發(fā)射，目前正處于調查的第二年，它可以提供一些幫助。TESS使用一組四臺相機觀察從黃道附近一直到黃道極點的 "扇形"，監(jiān)測視野中數(shù)千顆恒星的亮度是否有周期性的下降，表明有行星在運行。四周后，TESS將其指向改變?yōu)辄S道緯度向西約27°的相鄰扇區(qū)，直到名義上的兩年任務結束后，幾乎觀測到整個天空。

美國宇航局的TESS衛(wèi)星于2018年4月18日發(fā)射，目前正處于調查的第二年，它可以提供一些幫助。TESS使用一組四臺相機觀察從黃道附近一直到黃道極點的 "扇形"，監(jiān)測視野中數(shù)千顆恒星的亮度是否有周期性的下降，表明有行星在運行。四周后，TESS將其指向改變?yōu)辄S道緯度向西約27°的相鄰扇區(qū)，直到名義上的兩年任務結束后，幾乎觀測到整個天空。

不幸的是，2019年3月27日預測的KOI-4878.01的過境被錯過了，因為TESS絲仍在測量南部天空。不過，下一次的過境，預計將發(fā)生在2020年6月18日，似乎相當有希望。雖然官方公布的未來TESS觀測計劃目前只運行到21扇區(qū)，計劃從2020年1月21日開始觀測，但根據(jù)推斷，KOI-4878似乎很有可能從6月9日左右開始作為26扇區(qū)的一部分被觀測四周--就在預測的過境前9天。鑒于KOI-4878的黃道緯度高達+71.5°，它很可能會更早地作為第25區(qū)的一部分被觀測到。這一切都取決于未來幾個月內這些扇區(qū)所選擇的相機指向的細節(jié)。

但在我們對這些TESS觀測結果抱有太多希望之前，檢測到KOI-4878.01的過境至少說是困難的。TESS在星等為11.8的情況下，KOI-4878的最佳預期1小時組合差分光度精度預計在600ppm左右--比開普勒觀測到的KOI-4878.01過境深度大6倍左右。根據(jù)TESS網(wǎng)站，來自地球和月球的散射光預計也會成為25區(qū)和26區(qū)的一個問題，其次是24區(qū)。這只會使利用TESS探測過境的工作更加復雜。

雖然KOI-4878.01的過境不太可能在TESS程序的自動數(shù)據(jù)減少管道中引發(fā)沖擊，但通過應用更嚴格的統(tǒng)計分析，它可能會被檢測到。這次過境事件的長度為13小時，比通常觀測到的圍繞較小恒星的較小軌道的越界系外行星的時間要長好幾倍，這將有助于這項工作的開展。較長的過境時間將產生更多的數(shù)據(jù)點，以幫助改進統(tǒng)計數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)質量盡可能好，如果太陽和月球不干擾觀測等，即使是統(tǒng)計學上邊際探測到的過境事件，也有助于建立證實KOI-4878.01的案例。

像精密徑向速度測量這樣的獨立探測方法最終可能會有所幫助。雖然老一代的儀器無法對V星等12.4的天體進行所需精度的測量，但較新的儀器或許可以勝任這一任務。ESPRESSO （用于巖外行星和穩(wěn)定光譜觀測的階梯光譜儀，Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet- and Stable Spectroscopic Observations）于2018年10月開始從歐洲南方天文臺的甚大望遠鏡上進行科學觀測，它可以探測到像海王星一樣小的行星圍繞KOI-4878運行。未來靈敏度更高的儀器最終可以探測到KOI-4878.01，或者反駁它的存在。與此同時，我們需要等待更多的跨期觀測，看看開普勒在其高度成功的任務中是否成功地發(fā)現(xiàn)了至少一個真正的地球雙胞胎兄弟。

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參考資料

A. Frasca 等人，“ 開普勒目標的活動指標和恒星參數(shù)。ROTFIT管道在LAMOST-Kepler恒星光譜中的應用”，《天文學與天體物理學》，第1卷。594A，第39-39頁，2016年10月1日

R.K. Kopparapu等人，"主序恒星周圍的宜居區(qū)域: 新的估計"，《天體物理學雜志》，第765卷，第2期，文章編號：131，2013年3月10日。131，2013年3月10日，《天體物理學雜志》，第765卷，第2期，文章編號：131

Ravi Kumar Kopparapu等人，"主序恒星周圍的可居住區(qū)域：對行星質量的依賴性”，《天體物理學雜志快報》，第1卷。787，第2號，文章ID：L29，2014年6月1日

開普勒ID 11804437第1-16季度的數(shù)據(jù)驗證報告，美國宇航局開普勒任務，2013年8月16日。

KOI-4878，中央數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站（2019年9月4日訪問）

美國航天局系外行星檔案網(wǎng)站

TESS觀測，TESS網(wǎng)站（2019年9月4日訪問）。

關于作者

畢業(yè)于馬薩諸塞大學洛厄爾分校物理系

現(xiàn)任TWAi首席科學家

擅長獲取和分析遙感的物理學家

來自地面、空中和空間平臺的數(shù)據(jù)。在所有領域都有經驗。

科學項目的各個方面，包括計劃書的準備、實驗規(guī)劃、儀器規(guī)格和設計、觀測方案

執(zhí)行以及數(shù)據(jù)處理、分析和報告編制。

經驗豐富的印刷品和在線出版物撰稿人，專注于以下方面的工作：天文學、天體生物學和空間飛行方面的知識，供大眾和公眾使用。

技術層面的受眾。