KOI-4878.01：与地球最相似的行星候选者？

美国航天局的开普勒太空望远镜于2009年3月7日发射，其任务是在天鹅座和天琴座115平方度的天空中观测150,000颗恒星的亮度，以寻找过往系外行星的周期性倾斜。其目的是建立一个庞大的系外行星数据库，使科学家能够探索行星系统的结构和多样性。开普勒望远镜的构造和观测策略是专门设计的，以便能够探测到在类太阳恒星周围的类地球轨道上的地球大小的行星，其视力等级为12级。

在开普勒飞行任务开始之前，人们希望能够探测到一些潜在的类地球行星。虽然开普勒在2009年5月至2013年5月的主要飞行任务期间发现了2,345颗已确认的系外行星(目前仍在统计中)，但其中没有一颗可以被视为真正的地球孪生兄弟。在开普勒任务中绝大多数发现都是围绕比太阳小的恒星的短周期轨道上的较大行星——这种类型的世界不仅比类地行星常见得多，而且更容易探测。这次任务中发现最多的类地行星可能是开普勒186f和开普勒442b。不幸的是，这些世界比地球大一些，如同一个慢速或同步旋转器，并分别围绕着昏暗的M型和K型恒星运行。虽然它们可能是适宜居住的，但其行星环境并不十分像地球。

但除了发现已确认的系外行星之外，开普勒在其主要任务期间还发现了2420颗候选系外行星，这些行星仍需要后续观测才能确认其行星性质。其中还有一些类似地球的行星绕着类太阳恒星运行。其中有一颗候选行星似乎定期在网络上受到一些关注，它就是KOI-4878.01——第一颗被发现的围绕开普勒兴趣天体4878运行的系外行星候选行星。那么，这颗候选系外行星的性质和状态如何呢？

开普勒望远境的探测

KOI-4878是一颗V星等12.4，位于天龙星座，靠近开普勒在其主要任务期间监测到的星域外缘。由于它的昏暗，它只是错过了19世纪末20世纪初的大星巡天中的编目，而且由于它微不足道的本体运动，在20世纪也没有引起天文学家的注意，他们一直在寻找具有高本体运动的昏暗恒星。KOI-4878首次被编入目录，是1997年至2001年进行的2MASS（2微米全天空巡天）项目的一部分，获得了2MASS J19045474+5000488的称号。

由于选择了开普勒望远镜要监测的星域，KOI-4878随后被列入开普勒输入目录，并被命名为KIC-11804437。根据当时的最佳测光结果，KOI-4878的有效温度估计为6031+143/-168K——比太阳稍热，符合晚期F型星的特征。其半径估计为太阳的1.068+0.389/-0.145倍，质量为太阳的0.972+0.143/-0.110。根据这些数值，估计其光度约为太阳的1.35倍，距离约为1,200光年。

对开普勒的主要飞行任务数据进行分析，从第一季度（Quarter 1）到第12季度，KOI-4878的数据显示了三个时间间隔相等的可能的过境事件。在第一季度、第六季度和第十一季度观察到的事件中，由于开普勒的姿态发生周期性变化，使这颗恒星进入了无法使用的焦平面阵列的视野，因此在第十六季度错过了预计的第四个事件。第十六季度之后对现有数据的分析表明，这些事件发生的周期为449.015±0.021天，持续时间为12.6±1.0小时，深度为94.2±13.1 ppm。该候选行星被命名为KOI-4878.01。

将这些开普勒分析结果与KIC对宿主星特性的估计结合起来，就可以得出KOI-4878.01的特性。假设轨道周期等于两次变轨之间的时间，KOI-4878.01的轨道半主轴为1.137 +0.053/-0.040 AU（不确定度由宿主星质量的不确定度决定）。将这个值与KOI-4878的估计光度结合起来，这个候选行星的有效恒星通量（Seff——从宿主星接收到的能量与地球从太阳接收到的能量的比较）是一个非常类似于地球的1.05。根据过境的深度和KOI-4878的估计大小，KOI-4878.01的半径应该是地球的1.04+0.38/-0.14倍。

但这些特性是否符合KOI-4878.01可能适宜居住呢？根据对类似大小的系外行星的观测，这个世界的概率更倾向于像地球一样的岩石行星，而不是一个富含挥发性的迷你海王星，没有宜居的前景。类似地球的Seff值看起来也很有希望。根据Kopparapu等人的建模，一个地球大小的行星绕着类太阳恒星运行的可居住区（HZ）的保守内缘处于约1.11的Seff值，对应与KOI-4878的距离是约1.11天文单位（AU）。再近一点，温室效应就会随着永久的水分流失而消失。即使KOI-4878.01和它的宿主星的属性存在不确定性，但这个候选行星在宜居带（HZ）内运行的可能性还是很高的，其条件可能非常类似地球。

那么，确认这颗类地行星候选星的阻碍是什么？作为开普勒正常数据缩减管道的一部分，KOI-4878.01接受了一系列测试来验证这一发现。明显的假阳性来源，如一颗遥远的变星与KOI-4878的图像混合在一起，已经被自信地消除了。问题来自于一些更微妙的统计测试。特别是，恒星图像的中心点在过境期间出现移动的方式比平时大得多，这表明类似过境的事件可能是仪器伪影，而不是。我们需要的不仅是更多的过境观测，而且还需要对KOI-4878本身进行观测，以获得更好的属性值，从而帮助我们更好地掌握候选行星的属性。

新的观测结果

由于需要更好地描述开普勒主要任务期间观测到的所有恒星的特征，来自全球各地的一些天文学家小组一直在协调努力收集所需数据。LAMOST-开普勒项目就是其中之一。（LAMOST：Large Sky Area Multi-Object Fibre Spectroscopic Telescope，大天区多天体光纤光谱望远镜）它是一台4米级子午反射施密特望远镜，位于中国河北省兴隆天文台。LAMOST能够利用一套光纤系统同时采集多达4,000个天体的光谱，是进行大面积光谱测量的理想设备。

在2011年5月30日至2014年9月29日的38个夜晚，共观测到14个星域，以支持LAMOST-开普勒项目，覆盖开普勒在其主要任务期间观测到的区域。然后对光谱进行分析，得出最新的恒星属性。在观测到的51,385颗恒星中，有KOI-4878。根据Frasca等人的分析，KOI-4878是一颗光谱类型为G4V的恒星，有效温度为5780±202K——与太阳基本相同。

下一个需要确定KOI-4878特性的重要数据是它的距离。欧空局正在进行的盖亚（Gaia）天体测量任务首次测量了KOI-4878的视差。DR2视差的结果是1,135±7光年的距离--仅比基于KIC光度测量的估计值稍近。KOI-4878的正态运动速度为每年6.24毫弧秒。这只是上个世纪引起天文学家注意的适当运动的一小部分。

将这些最新的观测结果与现有的测光结果结合起来，就有可能计算出KOI-4878特性的更好的估计数。由于KOI-4878的距离比之前认为的要小一些，这颗恒星的光度略低，是太阳的1.16±0.03倍。结合Frasca等人的新的有效温度，KOI-4878的半径现在估计是太阳的1.08± 0.02 倍。根据这个较低的光度，我估计KIC的质量值约为太阳的0.94倍。这些更新后的数值与KOI-4878比太阳更古老所显示的情况是一致的。这颗恒星的低金属性和相当高的空间速度也表明KOI-4878比太阳更古老。

有了这些更新的KOI-4878的属性，我们就可以为KOI-4878.01推导出一套新的属性。这些新的数值，以及之前基于KIC数据的数值，在下表中进行了总结。

虽然KOI-4878.01的新半径与之前的估计值基本相同，新的半主轴值也在之前的不确定性范围内，但Seff值却有所下降，使得这颗候选行星更有把握地位于该行星系统的宜居带中。在我的计算中，最大的不确定因素是KOI-4878的质量。有可能这颗恒星的质量比我这里估计的更接近太阳的质量。但在这种情况下，KOI-4878.01的半主轴大小会稍大一些，将Seff降到0.90，这还是深入到这个比较保守的宜居带（HZ）的定义中。根据这些初步的粗略计算，如果候选行星能够被确认的话，KOI-4878.01是地球孪生星的情况似乎比之前要好一些。

下一步是什么？

虽然未来对KOI-4878的观测将帮助天文学家进一步完善它的特性，但更多的越日观测将有助于确认KOI-4878.01的行星性质。遗憾的是，在13小时的过境期间，亮度变化仅为94ppm，地面观测站将无法获得足够精确的所需数据。美国航天局的哈勃或斯皮策空间望远镜有可能获得所需的数据，但任何人都很难证明，在数千颗开普勒行星候选星中，KOI-4878应该利用这些非常繁忙的天文资产进行观测。

美国宇航局的系外行星巡天卫星TESS于2018年4月18日发射，目前正处于调查的第二年，它可以提供一些帮助。TESS使用一组四台相机观察从黄道附近一直到黄道极点的 "扇形"，监测视野中数千颗恒星的亮度是否有周期性的下降，表明有行星在运行。四周后，TESS将其指向改变为黄道纬度向西约27°的相邻扇区，直到名义上的两年任务结束后，几乎观测到整个天空。

美国宇航局的TESS卫星于2018年4月18日发射，目前正处于调查的第二年，它可以提供一些帮助。TESS使用一组四台相机观察从黄道附近一直到黄道极点的 "扇形"，监测视野中数千颗恒星的亮度是否有周期性的下降，表明有行星在运行。四周后，TESS将其指向改变为黄道纬度向西约27°的相邻扇区，直到名义上的两年任务结束后，几乎观测到整个天空。

不幸的是，2019年3月27日预测的KOI-4878.01的过境被错过了，因为TESS丝仍在测量南部天空。不过，下一次的过境，预计将发生在2020年6月18日，似乎相当有希望。虽然官方公布的未来TESS观测计划目前只运行到21扇区，计划从2020年1月21日开始观测，但根据推断，KOI-4878似乎很有可能从6月9日左右开始作为26扇区的一部分被观测四周--就在预测的过境前9天。鉴于KOI-4878的黄道纬度高达+71.5°，它很可能会更早地作为第25区的一部分被观测到。这一切都取决于未来几个月内这些扇区所选择的相机指向的细节。

但在我们对这些TESS观测结果抱有太多希望之前，检测到KOI-4878.01的过境至少说是困难的。TESS在星等为11.8的情况下，KOI-4878的最佳预期1小时组合差分光度精度预计在600ppm左右--比开普勒观测到的KOI-4878.01过境深度大6倍左右。根据TESS网站，来自地球和月球的散射光预计也会成为25区和26区的一个问题，其次是24区。这只会使利用TESS探测过境的工作更加复杂。

虽然KOI-4878.01的过境不太可能在TESS程序的自动数据减少管道中引发冲击，但通过应用更严格的统计分析，它可能会被检测到。这次过境事件的长度为13小时，比通常观测到的围绕较小恒星的较小轨道的越界系外行星的时间要长好几倍，这将有助于这项工作的开展。较长的过境时间将产生更多的数据点，以帮助改进统计数据。如果数据质量尽可能好，如果太阳和月球不干扰观测等，即使是统计学上边际探测到的过境事件，也有助于建立证实KOI-4878.01的案例。

像精密径向速度测量这样的独立探测方法最终可能会有所帮助。虽然老一代的仪器无法对V星等12.4的天体进行所需精度的测量，但较新的仪器或许可以胜任这一任务。ESPRESSO （用于岩外行星和稳定光谱观测的阶梯光谱仪，Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanet- and Stable Spectroscopic Observations）于2018年10月开始从欧洲南方天文台的甚大望远镜上进行科学观测，它可以探测到像海王星一样小的行星围绕KOI-4878运行。未来灵敏度更高的仪器最终可以探测到KOI-4878.01，或者反驳它的存在。与此同时，我们需要等待更多的跨期观测，看看开普勒在其高度成功的任务中是否成功地发现了至少一个真正的地球双胞胎兄弟。

参考资料

A. Frasca 等人，“ 开普勒目标的活动指标和恒星参数。ROTFIT管道在LAMOST-Kepler恒星光谱中的应用”，《天文学与天体物理学》，第1卷。594A，第39-39页，2016年10月1日

R.K. Kopparapu等人，"主序恒星周围的宜居区域: 新的估计"，《天体物理学杂志》，第765卷，第2期，文章编号：131，2013年3月10日。131，2013年3月10日，《天体物理学杂志》，第765卷，第2期，文章编号：131

Ravi Kumar Kopparapu等人，"主序恒星周围的可居住区域：对行星质量的依赖性”，《天体物理学杂志快报》，第1卷。787，第2号，文章ID：L29，2014年6月1日

开普勒ID 11804437第1-16季度的数据验证报告，美国宇航局开普勒任务，2013年8月16日。

KOI-4878，中央数据库网站（2019年9月4日访问）

美国航天局系外行星档案网站

TESS观测，TESS网站（2019年9月4日访问）。

关于作者

毕业于马萨诸塞大学洛厄尔分校物理系

现任TWAi首席科学家

擅长获取和分析遥感的物理学家

来自地面、空中和空间平台的数据。在所有领域都有经验。

科学项目的各个方面，包括计划书的准备、实验规划、仪器规格和设计、观测方案

执行以及数据处理、分析和报告编制。

经验丰富的印刷品和在线出版物撰稿人，专注于以下方面的工作：天文学、天体生物学和空间飞行方面的知识，供大众和公众使用。

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