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2014年6月24日 星期二

太陽系外行星(Exoplanet / Extrasolar Planet)

太陽系外行星簡稱系外行星,泛指存在於太陽系以外的行星。自1990年代首次證實系外行星存在,截至2014年6月4日,已經被認定的系外行星總數為1794顆,這些行星分屬1113個恆星系,且有461個恆星系是有兩顆以上行星的。克卜勒任務已經偵測到18,000顆行星候選者,包括262顆位於潛在適居帶的候選行星。
在克卜勒衛星發射前大多數被發現的系外行星為組成物質類似木星的氣體巨星,這部分反映了取樣偏差,而這些巨型行星應該也會類似木星或土星擁有不少衛星,只是以目前人類最先進的望遠鏡也很難發現這些衛星,甚至可能也擁有類似歐羅巴(Europa)或泰坦(Titan)等近似類地行星大小且適合生物發展的衛星。而在克卜勒衛星觀測的幾年下來,海王星型、超級地球甚至地球大小行星的數量目前已經超過木星型行星數量。此外,還存在以行星軌道運行的褐矮星和不環繞任何恆星的流浪行星。
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目前恆星大致可分為紅巨星(red giant)、主序星(main sequence star)與白矮星(white dwarf),紅巨星(瀕臨死亡的恆星)跟白矮星(已死亡的恆星)都不再適合生命發展,而銀河系的各種主序星由小到大以及壽命長短與所占比例排列如M型星(76%)K型星(12%)G型星(8%)F型星(3%)A型星(0.6%)B型星(0.1%)O型星(0.00003%)。目前已知銀河系有相當多的恆星有行星系統,而且有8%左右的類似太陽的G型恆星(壽命約100億年),如果有類地或海洋行星位於適居帶且沒有在發展初期就被毀滅並在穩定軌道上運行也長期存在大型湖泊或海洋(目前普遍認為水是生命發展的要素之一,且大氣含有大量甲烷或氧等氣體才比較可能發展出比病毒或細菌高等的原生生命體,宇宙是否存在其他不是主要由有機物(由碳、氧、氮、氫等物質所組成)所組成的原生生命體仍是未知數)的類地行星就有很大的機會可以發展出生命,而且必須逃過可能來自宇宙天體或行星自身的大規模滅絕危機(這是依據地球生物發展過程所做的推論,關於地球生命的起源目前科學界也尚未完全了解而有明確的定論,唯一比較確認的是地球生命最早是誕生在海洋,而且高等生物是從海洋往陸地發展的,地球生物至今曾出現過五次大滅絕)。依據類似德瑞克公式(Drake equation)(用來估計高度發展的外星文明數量)的算法,代入適當數據可以推算出至少有十億顆類似地球可以發展生命的系外行星存在於我們居住的銀河系中。這裡假設的是在沒有任何科技因素介入下星系可以發展出生命的行星數量,但如果有先進的外星文明已經具備行星或衛星工程可以進行大規模改造星球的環境,甚至是可以開發出先進智慧機器或者可以適應各種環境的生化生物或人造生物的文明則不在討論範圍內。不過到底存不存在外星文明目前人類仍不清楚,因為目前尚未接觸過其他地球以外的外星先進文明。不過光銀河系就有兩千多億個恆星系且目前已知的宇宙也有兩千多億個規模近似甚至大於銀河系的星系,存在其他外星文明的可能性應該很高或許只是距離我們太遙遠尚未被發現罷了。
太陽系外行星成為科學調查對象源自十九世紀,許多天文學家當時就推測存在其他形星系,但當時還沒有足夠的科技與觀測方法可以了解這些系外行星與太陽系行星的相似度如何。加拿大天文學家布魯斯·坎貝爾等人在1988年的結果是首次獲得後來觀測確認的發現,他們利用視向速度法發現圍繞仙王座γ(Gamma Cephei)的行星,不過由於當初的觀測技術仍不成熟一直在爭論此行星是否存在,直到2003年運用新的觀測技術才證實其存在。最早被確認的發現在1992年,發現數倍地球質量的行星環繞脈動電波星的PSR B1257 +12。1995年首次確認發現太陽系外行星的主序星,在飛馬座51 b(51 Pegasi b)發現一個超級地球,以週期4天的軌道環繞附近的G 型恆星飛馬座51。
太陽系外行星的發現增加了外星系生命存在的可能性。2011年12月5日公佈發現的克卜勒22b(Kepler-22b)就是一顆位於適居帶的行星,也是克卜勒太空望遠鏡所發現第一個位於類太陽恆星適居帶的太陽系外行星。克卜勒22b位於天鵝座內,距離地球600光年,目前已經確認其存在。
而另一個著名的系外行星例子則是2011年2月2日公佈由克卜勒太空望遠鏡以凌日法發現的克卜勒11(Kepler-11)星系,距離太陽系約2000光年,至少有6顆行星,質量大小皆為地球的數倍,軌道半徑則都小於1天文單位。
太陽系外行星的類別:
脈衝星行星(Pulsar planet)
脈衝星行星的行星軌道是環繞著脈衝星或快速旋轉的中子星的行星。第一次這樣被發現的行星圍繞一個週期為毫秒的脈衝星,並且是最早被確認發現在太陽系外的行星。目前已確認在2星系中發現5顆脈衝星行星。

環聯星運轉行星(Circumbinary planet)
環聯星運轉行星是一種位於雙星系統之中的行星,並同時環繞兩顆恆星而非僅是其中一顆運轉的行星。

共軌天體(Trojan planet)
以相同軌道運行母星的兩顆大小行星,軌道環繞在兩個穩定的拉格朗日點,一般狀況下兩者不會發生碰撞。地球跟月球的形成便可能是由兩個共軌天體(原始地球與忒亞)互撞而產生。

熱海王星(Hot Neptune)
熱海王星是一種假設存在的太陽系外行星,其軌道半徑離恆星較近(通常小於1天文單位),該類行星質量接近於海王星和天王星的核心和外層氣體質量總和。近期觀測結果顯示可能存在的熱海王星數量較預期的多。

冰巨星(Ice giant)
質量近似海王星,而體積與組成成分類似海王星或天王星的系外行星,目前被發現且確認的系外行星多屬此類。

迷你海王星 (mini-Neptune)
是一種質量小於十倍地球且體積小於海王星的行星,通常含有氫跟氦所組成的厚重大氣,且由很厚的冰與岩石或者液態海洋構成行星主體。

超級海王星(super-Neptune)
構成物質類似於海王星但質量比海王星大,半徑約5到7倍地球半徑,質量約20~80倍地球。

熱木星(Hot Jupiter)
熱木星是一種系外行星,它們的質量接近或大於木星,但太陽系中的木星的軌道半徑是5天文單位,而熱木星的行星軌道與恆星距離在0.05天文單位以內,大約只是太陽系內水星到太陽距離的8分之一。

離心木星(Eccentric Jupiter)
離心木星是一類太陽系外的類木行星,其軌道離心率極大(大於0.1),近似於彗星軌道。和熱木星一樣,在有離心木星的星系中的類地行星並不易存在於適合生物發展的適居區,因為只要有足夠時間,一顆如木星大小的行星就能夠將所有質量和地球相近的類地行星拋出該星系或星系適居區。據估計有約7%的恆星都擁有一顆離心木星,目前已發現200顆左右的離心木星在銀河系中本類行星較熱木星來得普遍。

氣體巨星(Gas giant)
氣體巨星也稱為類木行星(Jovian planet),是不以岩石或其他固體物質為主要成分構成的大型行星。氣體巨星可以再分成兩種不同的類型,典型的氣體巨星是木星和土星,主要的成分為氫和氦。而天王星和海王星的主要成分是水、氨和甲烷,而氫和氦只是最外層區域的主要成分,所以有時會再被細分為冰巨星。

超級木星(Super Jupiter)
質量與體積至少為木星數倍的系外行星,目前已經在其他星系發現將近180顆以上的超級木星。

褐矮星(Brown dwarf)

是質量低於最小型恆星,在核心不能維持大規模的氫融合反應,與主序恆星不同的次恆星。可說是目前最重的氣體巨星和最輕的恆星,質量上限大約在7580倍木星質量。

恆行星(Planetar)
是指比次棕矮星還小的行星質量等級的天體,它的質量比太陽質量的0.004倍還要低(低於4倍木星質量),甚至可能比木星質量還低,溫度比行星略高。此類星體是以恆星形成的方式,經由氣體雲的坍縮形成,溫度是來自原恆星階段來自重力能量的加熱或摩擦造成的溫度,但因質量太小無法發生核融合反應,故無法進入主序星階段,原恆星階段結束後即開始冷卻。

此外,恆行星也可以指次棕矮星,或核融合完全停止的棕矮星,質量很小的紅矮星當氫耗盡時,若質量太小無法收縮變成白矮星,而形成一個冷卻的氣體天體,也可以稱做恆行星。

適居帶行星(Goldilocks planet)
適居帶行星通常指落於恆星適居帶且大小接近於地球的行星。


類地行星(Terrestrial planet)
類地行星是指以岩石為主要成分的行星。核心構成物質以鐵為主,且大部分為金屬,圍繞在周圍的則是以矽酸鹽為主的地函。類地行星有峽谷、撞擊坑、山脈和火山等,有些甚至還存在著海洋。類地行星的大氣層都是再生大氣層,有別於類木行星直接來自於太陽星雲的原生大氣層。
理論上,類地行星或是岩石行星可以分為兩類,一類以矽化物為主,另一類以碳化物為主,像是含碳球粒隕石的小行星。這兩類分別稱為矽酸鹽行星和碳行星(或鑽石星)。

冥府行星(Chthonian planet)
冥府行星是一種假設中的天體類型,是一種外圍的氫和氦被剝離之後的氣體巨星殘骸,而氣體巨星大氣層被剝離是因為行星過度接近恆星的結果,最後殘餘的岩石或金屬核心在許多方面將類似於類地行星。

熔岩行星(Lava planet)

熔岩行星是表面全部或大部分被熔化的岩漿所覆蓋的一種假想的類地行星。存在這種行星的可能情況是最近遭受巨大撞擊;或非常靠近其母恆星的年輕類地行星,因為巨大的潮汐力或輻射照量而使表面熔化。

海洋行星(Ocean planet)
海洋行星是一類假設存在的太陽系外行星,其表面完全為液態水所構成的海洋覆蓋。在外太陽系中形成的行星,最初的構成物質類似於彗星,包括質量近乎均等的水和岩石。對太陽系的形成和演化進行的模擬顯示在行星形成過程中,其軌道有可能向內或向外遷移,進而可能出現冰凍行星的軌道向內遷移,行星上的冰融化為液態水,最後形成海洋行星。

沙漠行星(Desert planet)

沙漠行星是指全星只擁有一種氣候—即沙漠氣候、降雨量極少的行星。

超級地球(Super-Earth)
超級地球是指太陽系外行星質量比地球大但質量遠低於太陽系氣體巨星的行星。超級地球只是指行星質量相近但大於地球(約地球質量1.5~2倍),但並不代表地表條件類似地球或適合高等生物生存。

碳行星(Carbon planet)
碳行星又稱為鑽石行星是一種假設存在的類地行星,其內部可能擁有鑽石內層,而厚度更可達幾十公里。依據目前理論推測,這些碳行星會擁有巨大的鐵內核,與已知的類地行星相似,而內核上層則由很厚的碳化矽及碳化鈦所構成,然後是碳元素層,這些碳元素會以石墨形態存在,如果行星的體積大及有足夠壓力,碳元素層的底層便能擠壓出鑽石。碳行星的表面會充滿碳氫化合物及一氧化碳,如果有水存在的話,它們更有機會孕育出生命,但在這樣的環境下,有機物則將以氧元素取代碳元素,這些生物會進食含氧量高的食物,而呼吸含碳量高的空氣。

鐵行星(Iron planet)
鐵行星是一種類型的行星,它主要由一個富含鐵的核心,很少或根本沒有地函。水星可說是太陽系中最大的這類型天體,但更大的鐵行星在太陽系外可能存在。

氦行星(Helium planet)
一個氦行星是一種理論型的行星,可能成因是低質量的白矮星經過大量的質量損失所形成。 普通氣體巨行星,如木星和土星主要由氫氣組成,氦氣則為次要組成部分。在可能會形成一個氦行星的環境中,所有氫氣已經因核燃燒完全用盡而產生氦氣或其他更重的元素。

無核行星(Coreless planet)
一個無核行星是一種理論型的類地行星,經歷行星分化,但仍具有無金屬核心,即行星是由一個巨大的岩石地幔所構成。

星際行星(Interstellar planet)
星際行星是流浪行星(Rogue planet)的一種,是一種假設存在的天體。它們原本繞着自己的恆星公轉,受到大型天體引力的影響,它們被引力射出其所在星系而流浪於宇宙之中。

太陽系外行星相關連結
http://kepler.nasa.gov/Mission/discoveries/
http://exoplanet.eu/

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