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克卜勒任務首度發現同時環繞兩顆恆星公轉的系外行星

臺北天文館_96
・2011/09/19 ・1214字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

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  美國航太總署(NASA)克卜勒任務(Kepler)首度發現一顆環繞雙星公轉的行星(circumbinary planet),這個發現使得欣賞雙落日不再是星際大戰(Star Wars)電影的科幻情節,而是個科學事實。

  先前研究就已經暗示可能有環雙星的系外行星存在,但一直無法清楚證明,這個問題已懸宕了10幾年。克卜勒任務是經由凌日法(transit)偵測到這顆行星的存在,亦即當它經過所環繞的恆星前方時,會使恆星亮度稍微下降的現象。

  這顆編號為Kepler-16b的系外行星,距離地球約200光年遠;體積相當於土星,或許是由一半氣體、一半岩石所組成;繞兩星公轉一週約229天,類似金星繞太陽公轉一圈的天數,但與星際大戰中的塔圖因(Tatooine,天行者路克出生的行星)不同的是:由於母恆星們都是表面溫度不高、輻射不強的矮星,所以Kepler-16b也是顆溫度不高的行星,表面的水可能都在冰的狀態,不適合生命居住。不過這顆行星的發現,至少證明了我們銀河系中有各式各樣的行星系統,不見得都和太陽系相同。克卜勒任務首席研究員William Borucki表示:由於我們銀河系中的恆星大多是雙星系統或聚星系統的成員之一,這個發現也顯示生命可存在的區域範圍比先前所認為得更廣泛。

  由SETI研究所Laurance Doyle領軍的研究團隊,經由克卜勒太空望遠鏡15萬顆恆星的亮度變化觀測資料搜尋系外行星。科學家在這批資料中發現Kepler-16系統有顆新行星,而Kepler-16本身又是食雙星系統,兩星互繞一週約41天,兩子星都比太陽稍小,其中A子星僅有太陽質量的69%,為K型矮星,表面溫度約4400K左右;另一顆B更僅有太陽質量的20%而已,是顆紅矮星,表面溫度當然也比我們的太陽低得多。當比較小的B部分遮蔽到較大的A時,會發生主食(primary eclipse),而A部分遮蔽或完全遮蔽這個較小的B子星時,亮度下降的比較少,是所謂的「次食(secondary eclipse)」。

  然而當他們再仔細觀測這個系統的亮度變化狀況時,發現在主食和次食之外,還有其他的亮度下降現象,顯示應有第3個天體存在。這些被稱為「三食(tertiary eclipse)」和「四食(quaternary eclipse)」的亮度變化,時間間隔並不規則,意味著每次第3個天體通過這對雙星中任一顆恆星前方時,彼此的相對軌道位置都不太相同。這顯示第3個天體是以很寬的軌道同時環繞這對雙星公轉,而非單僅環繞其中一顆子星公轉。

  從第3個天體的重力拖曳(gravitational tug)對恆星們造成的掩食時間變化,科學家可估算出第3個天體的質量大小,結果發現其重力拖曳非常微弱,所以第3個天體的質量必定不大。

  天文學家絕大部分對恆星質量大小的認知都來自這種食雙星系統,而從凌日事件中又可得知行星的體積大小。讓Doyle等人最狂喜的發現,就是Kepler-16在一個恆星系統中,同時結合了這兩種狀況,這讓Kepler-16b成為有史以來質量測得最精準的系外行星之一,這些天文學家們得以好好認識這個特異的行星系統。

資料來源:NASA’s Kepler Mission Discovers a World Orbiting Two Stars [09.15.11]

轉載自 網路天文台

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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如何運用 Google AI的機器學習,發現新的系外行星 Kepler-90i ?
PanSci_96
・2017/12/19 ・1966字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 476 ・五年級

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  • 作者| Chris Shallue,Google人工智慧研究員 / Andrew Vanderburg,德州大學奧斯汀分校天文學家

幾千年來,人們仰望星星,記錄、觀察天文現象,並從中發現其運行模式。第一批天文學家所認定的天體是行星,由於行星在夜空中看似不規則的移動,因此也被希臘人稱之為「planētai」或「漫遊者 (wanderers)」。經過幾個世紀以來的研究,人們已經了解太陽系的運行模式,是地球和其他行星圍繞著太陽公轉,而太陽是一個恆星,就如同我們肉眼所看見會發光的星星一樣。

Image credit: NASA

如今,在望遠鏡光學(telescope optics)、太空飛行、數位相機和電腦等技術的幫助下,我們得以將對宇宙的了解擴展到太陽系之外,偵測並探究其他恆星周圍的行星。這些圍繞在其他恆星周圍的行星也稱之為「系外行星(exoplanet)」,而研究系外行星能幫助我們更深入探索宇宙與人類的奧秘。太陽系之外的宇宙是什麼樣子呢?外太空還有像太陽系一樣的其他行星恆星嗎?

雖然技術的進步有助於我們探索宇宙,但尋找系外行星仍不容易。與火熱的恆星相比,系外行星是冷的、小的、沒有光亮的,這就像要從幾千英里的地方,看見探照燈旁邊飛來的螢火蟲一樣困難。

不過藉助機器學習(Machine Learning),我們在最近有了一些新的進展。

克卜勒任務與 Google AI 的相遇

天文學家搜尋系外行星的方式,其中一個是分析來自NASA 克卜勒任務(Kepler Mission)中的大量資料數據,並透過自動化軟體和手動方式來執行。克卜勒任務用了四年的時間觀察近20萬顆恆星,每30分鐘拍一次照片,並創造了近140億個資料點。這140億個資料點相當於大約2千兆個可能的行星軌道。這個龐大的資料量即使用最強大的電腦來分析也是非常耗時、費力的。為了讓這個分析的過程可以更有效率,我們導入機器學習來加速分析時程。

圖/Google台灣

凌星法是指,當一顆運行中的行星擋住了恆星的光線時,恆星的亮度會減小。我們以此概念為基礎,將其特徵訊號用來辨識周圍運行的行星,並運用克卜勒天文望遠鏡,在四年之間觀察並分析了20萬顆恆星的亮度。

機器學習能夠訓練電腦認識運作模式,而這對於分析大量數據來說尤其有用。機器學習技術的重點在於讓電腦從範例中學習,而不是透過編寫特定的規則。

我是Google人工智慧團隊的機器學習研究員,對於宇宙的世界相當感興趣。因此,我善用「20%計畫」(在Google,你可以利用20%的時間來做你喜歡或感興趣的事情)來開始執行這個專案。我和德州大學奧斯汀分校的天文學家 Andrew 接洽,共同執行這個專案。我們將機器學習技術應用在宇宙探索,並教導機器學習系統如何識別遙遠恆星周圍的行星。

我們利用超過 15,000 個被標記的克卜勒訊號,創造一個 TensorFlow 模組來辨別行星與非行星。為此,這個模型必須能辨認出真正的行星所形成的圖像,與其他天體如 星斑(starspots)雙星(binary stars)所形成的圖像。當我們讓 TensorFlow 模組辨識從未見過的訊號時,它能以96%的準確率辨認出哪些訊號是行星,哪些是非行星。因此,我們知道這個模組成功了!

克卜勒90i,發現!

有了可行的模組後,我們拍攝恆星,並利用這個模組在克卜勒數據中尋找新的行星。為了縮小搜尋範圍,我們研究了 670個已知可容納兩顆或更多的系外行星的恆星。在這樣的過程中,我們發現兩顆新行星:克卜勒80g 和克卜勒90i。其中值得注意的是,克卜勒90i 是第八個被發現圍繞著克卜勒90的行星,這使它成為除了太陽系之外,第一個已知的八大行星系統。

圖/Google台灣

我們利用15,000個被標示的克卜勒訊號,來訓練機器學習模組去辨認行星訊號,並利用這個模組,從670顆恆星的數據中發現新的行星,且成功發現了兩個先前被忽略的行星。

另外也發現了一些有趣的事:這個行星比地球大了30%;擁有大約華氏800度的地表溫度,絕對不是你下一趟旅行的好選擇;它以14天的週期繞著恆星公轉,這代表你每兩個星期就會過一次生日喔。

圖/Google台灣

克卜勒 90是太陽系以外第一個已知的八大行星系統。在這個星系中,行星運行的軌道更靠近恆星,而克卜勒90i每14天公轉一次。(請注意,行星的大小,以及行星與恆星的距離不在測量範圍內。)

當我們運用科技來嘗試了解宇宙時,會以為已經可以一窺一二,但其實不然。目前為止,我們只用TensorFlow 模組搜尋了20萬個恆星當中的670個,而克卜勒的數據中可能還有更多系外行星尚未被發現,未來機器學習的新思維和技術將能幫助人類進行宇宙探索,發現更多未知的領域!

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NASA湊齊七龍珠:TRAPPIST-1星系有七顆與地球大小相近的系外行星
PanSci_96
・2017/02/23 ・2032字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

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TRAPPIST-1 星系中,其中一顆代號 TRAPPIST-1f 的星球表面模擬圖。科學家利用史匹哲太空望遠鏡和地面上的天文望遠鏡發現了 TRAPPIST-1 星系中有七顆近似地球大小的星球。

文 / 泛科學編輯部(據說是 j 編、k 編、v 編、y 編合寫的)

美國太空總署的「史匹哲太空望遠鏡」(Spitzer Space Telescope)發現了人類首知、第一個由七顆近似地球大小的行星環繞著一顆恆星的星系(TRAPPIST-1)。目前七顆行星中有三顆被確信位於「適居帶」,也就是與恆星的距離適中,而且很可能有液態水。(延伸閱讀:科學家是怎麼找系外行星的?

這是人類首次在太陽系外發現一個星系同時擁有這麼多顆位於適居帶的星球。這個星系中的七顆星球都很可能有著人類生存所必要的液態水和適宜的大氣層,其中又以在適居帶內的三顆星球機會最高。

任職於 NASA 科學任務理事會(Science Mission Directorate)的朱伯肯(Thomas Zurbuchen)說,這是一個非常有意義的發現,我們獲得了回答「宇宙中是否有其他生物」這個重大科學問題的一大線索;一次找到這麼多顆在適居帶的星球讓我們朝問題的解答往前邁進了值得紀念的一大步。

「TRAPPIST-1」星系位在水瓶座,離我們不算很遠,如果你能飛的跟光一樣快,從地球出發大概 40 年(約 378 兆公里)就能抵達這群系外行星囉。

TRAPPIST-1 星系的名字來自於位在智利的 TRAPPIST 望遠鏡。2016 年 5 月, TRAPPIST 望遠鏡的研究員就發現這個星系中的三顆行星。在其他地面大型望遠鏡的幫助下,史匹哲望遠鏡不只確認其中兩顆的存在,還發現了其他五個,讓星系家族的行星成員一口氣增長到七個。研究結果發表在今(2017)年 2 月 22 日的期刊《自然》(Nature)。

美國時間 2017 年 2 月 23 日刊登在《自然》(Nature)期刊的封面,七顆近似地球大小的行星環繞著紅矮星 TRAPPIST-1 。圖/NASA

根據史匹哲太空望遠鏡的觀測資料,研究團隊準確量出這七顆行星的尺寸,並初步推算其中六顆的質量和密度。研究員根據密度推測這群行星都是岩石硬漢,但還需要進一步觀察它們是否有豐富的水?地表有沒有液態水?而最遠,也是唯一沒被推測出質量的第七顆行星則可能是冰球。

研究報告的主要作者,比利時烈日大學 TRAPPIST 系外研究團隊的主研究員吉倫(Michael Gillon)解釋,這是我們首次發現七顆類似地球大小的行星,又繞著此等規模恆星轉的星系,「這也是有史以來研究規模近似地球的潛在移居星球的最好材料!」

根據觀測資料(星球的大小、質量、軌道距離)所繪製而成的示意圖,顯示 TRAPPIST-1 星系中每顆行星的大小比例還有與恆星之間的相對位置。

與太陽不同的是,TRAPPIST-1 星系的恆星是一顆極低溫紅矮星(ultra-cool dwarf),亮度比太陽還暗兩千倍,即便行星們離恆星很近,仍有可能保有液態水。TRAPPIST-1 星系的七顆行星的軌道離恆星的距離,比太陽系中水星與太陽的距離還要近。甚至這七顆行星間的距離也非常靠近,NASA 指出如果一個人站在其中一顆行星上,他們可能可以看到鄰近的另一顆行星上的地貌或雲。

不過這些行星可能被母恆星潮汐鎖定(Tidal locking),像月球一樣只有一面固定面向恆星,所以會造成行星上有一半是永晝、一半是永夜的狀態。而 NASA 推測這個現象,行星上的氣候會與地球完全不同,例如會出現強風不斷從永晝面吹向永夜面,或是極端溫度變化等。

史匹哲太空望遠鏡於 2016 年秋季連續 500 小時持續觀測 TRAPPIST-1 星系。科學家藉由探測 TRAPPIST-1 恆星發出的紅外線,以及行星從恆星前經過的動態,藉此分析 TRAPPIST-1 星系的結構。

這張海報是人類利用太空旅行前往 TRAPPIST-1e 星球的想像圖。圖/NASA

2016 年 5 月哈伯團隊也觀察了 TRAPPIST-1 星系最內側的兩顆行星,並沒有發現它們有蓬鬆大氣的證據,更加強了這些行星的本質很有可能是岩石。哈伯研究的共同主持人、巴爾的摩太空望遠鏡科學研究所天文學家尼科爾.路易斯(Nikole Lewis)說:「TRAPPIST-1 星系提供了很好的機會,讓科學家能在接下來的十年中去研究地球尺寸行星的大氣。」

另外,NASA 尋找系外行星的行星獵人計畫中,克卜勒太空望遠鏡也正在研究 TRAPPIST-1 系統,藉由測量恆星由於行星經過時的亮度微小的變化,觀察其凌星現象。

那這就是追尋系外行星的最高峰了嗎?

之前也有眾多的系外行星被點名為「地球 2.0」,在適居帶的系外行星其實也多不勝數(延伸閱讀:Kepler-452b 真的是「地球2.0」?),而這次的發現雖然是「人類首知、第一個由七顆近似地球大小的行星環繞著一顆恆星的星系」,這或許讓我們對於移民、外星生命、藉此探索地球和生命的起源……等眾多地想像又前進了一步;但只要追尋系外行星的計畫仍在持續進行(2018 年還會有更高性能,可以檢測水、甲烷、氧氣、臭氧和其他大氣組成份,還能分析行星溫度以及表面壓力的 Webb 太空望遠鏡加入戰場喔!),這樣令人興奮的發現就不會停止!

資料來源

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