为什么宇宙中行星数量很少？

你这个问题问得很有意思，“宇宙中行星数量很少”这说法其实不太准确，反而更应该说“在宇宙的尺度下，我们能够探测到的、并且与地球类似的行星数量，相对来说并不多，或者说，我们发现的行星数量，相对于恒星数量来说，比例上看起来并没有想象中那么夸张。”

让我来好好跟你聊聊为什么会这样，尽量不把话说得像教科书那么死板，而是从更生活化的角度去理解。

首先，我们要明确一点，宇宙太大了，大到我们人类的想象力都有些跟不上。我们目前能够探测到的宇宙范围，就是一个“可见宇宙”。在这个范围里，我们已经数不清有多少恒星了，据说有几千亿亿颗。如果每颗恒星都有一两个行星，那行星的数量简直就是一个天文数字。所以，说“宇宙中行星数量很少”严格来说是不对的，我们只是还没发现那么多，或者说，我们发现的比例没那么高。

那么，为什么我们似乎没有像“天上星星那么多，行星也应该那么多”那样直观地感受到行星的普遍存在呢？这背后有很多原因，咱们一步步来看。

1. 观测的难度：

想象一下，你想在一片漆黑的森林里，寻找一片比你的手掌还小的叶子，而且这片叶子还在不停地移动，同时你还要隔着很远很远的距离。这差不多就是我们寻找系外行星（也就是太阳系外的行星）所面临的困难。

行星自身发光弱： 行星不像恒星那样自己会发光发热，它们的光都是来自反射恒星的光。这些反射的光非常微弱，尤其是在离恒星很远的情况下，被恒星本身的光芒完全掩盖了。这就好比你在夜晚想看到被路灯照亮的尘埃，而且路灯本身的光非常耀眼。
恒星的光芒太强： 恒星就像一个巨大的聚光灯，把周围的一切都照亮了。我们的观测设备，无论是地面上的望远镜还是太空中的望远镜（比如开普勒、苔丝等），都很难在如此耀眼的恒星光芒中捕捉到行星那点微弱的反射光。
距离遥远： 宇宙的距离是以光年计算的，即使是离我们最近的恒星系统，也需要几光年的时间才能到达。这么远的距离，使得行星发出的信号变得更加微弱。

2. 探测方法的局限性：

为了克服这些困难，科学家们发展了一些非常聪明的探测方法，但这些方法都有其自身的局限性：

凌日法 (Transit Method)： 这是目前最成功的方法之一。我们发现如果一颗行星从它的恒星前面经过（凌日），会短暂地导致恒星的光度下降一点点。就像你用手指挡住一个灯泡，灯泡的光会稍微暗一点。
局限性： 这个方法要求行星的轨道正好在我们观测的视线方向上，也就是行星轨道平面和我们的视线方向是“对齐”的。如果行星的轨道是倾斜的，它可能就不会正好从恒星前面经过，我们就探测不到。就像你拿个东西在灯泡前面晃，但它没正好挡在灯泡和你的眼睛中间。
偏好： 这个方法更容易发现那些离恒星很近的行星，因为它们经过恒星的频率更高，而且对恒星光度的影响也相对更容易被测量。所以，我们发现的很多系外行星是“热木星”或“超级地球”，它们离恒星很近。

径向速度法 (Radial Velocity Method)： 行星绕着恒星转，但实际上它们是绕着一个共同的质心转。行星的引力会轻微地“拉扯”恒星，导致恒星在空间中发生微小的“摇摆”。我们可以通过观察恒星光谱的红移和蓝移来测量这种摇摆，从而推断出行星的存在。
局限性： 这个方法对于探测质量大的行星更有效，特别是那些离恒星不远的行星。对于质量小的行星，或者离恒星很远的行星，它们对恒星的“拉扯”作用太小，难以被探测到。

直接成像法 (Direct Imaging)： 理论上，我们可以直接拍摄行星的照片。但如前所述，行星的光太弱，很容易被恒星的光芒淹没。科学家们发展了“星光遮挡器”（coronagraph）等技术来阻挡恒星的光，但要成功拍摄到行星，通常需要行星本身非常明亮（比如年轻、热的巨行星）且离恒星较远。
局限性： 这个方法能探测到的行星数量非常少，而且主要集中在离恒星较远、质量较大的行星。

3. 恒星形成和行星形成过程的复杂性：

行星并不是凭空出现的，它们是在恒星形成的同时，在恒星周围的“原行星盘”中诞生的。这个过程非常复杂，而且有很多不确定性：

盘的质量和成分： 构成恒星和行星的原行星盘，其质量和其中的尘埃、气体成分至关重要。如果盘的质量太小，或者缺少形成行星所需的重元素（比如硅、铁、氧等），那么就很难形成足够大的行星。
盘的演化： 原行星盘的生命周期是有限的，通常只有几百万到几千万年。如果行星在盘消失之前没有足够的时间形成，那就不会有行星。
行星的迁移和碰撞： 行星在形成后，在原行星盘中并不是静止不动的，它们会发生迁移，也可能发生剧烈的碰撞。这些过程会影响行星的最终轨道和大小。
恒星的类型： 不同类型的恒星，其形成行星的条件也可能不同。例如，质量非常大的恒星（O型、B型）生命周期短，而且其强烈的辐射可能不利于行星形成。质量非常小的红矮星，虽然数量众多，但它们周围的“宜居带”离恒星很近，行星也更容易被潮汐锁定，从而导致气候极端。

4. 我们寻找的“类地行星”的稀有性（或者说我们探测到的比例）：

你可能会问，既然恒星那么多，为什么我们还没发现那么多像地球一样的岩石行星，而且还处于“宜居带”里？

“宜居带”的定义： “宜居带”是指恒星周围的一个区域，在这个区域内的行星表面温度可以允许液态水的存在。但这只是一个非常基础的条件。
行星大小和成分： 即使是在宜居带，如果行星质量太小，可能无法维持大气层；如果质量太大，就可能变成气态巨行星。所以，要形成一个大小适中、成分类似地球的岩石行星，就有很多限制条件。
其他条件： 拥有液态水只是“潜在宜居”的一个方面。要真正适合生命，还需要稳定的大气层、磁场保护、合适的板块运动、甚至一个稳定的月球等等。这些因素的组合，可能会让“完美”的地球变得相当稀有。

总结一下：

所以，你觉得“宇宙中行星数量很少”，可能更多的是因为：

我们只能看到一部分宇宙。
我们目前探测系外行星的技术和方法，还不足以发现所有类型的行星，尤其是一些质量较小、离恒星较远、或者轨道倾角不适合我们探测的行星。
形成行星的过程本身就有很多“运气”和“概率”的因素。
我们寻找的“地球”这种特定类型的行星，可能需要满足的条件更多，所以在我们目前的探测样本中，比例上看起来不那么突出。

打个比方，你可以把恒星想象成城市，而行星就是城市里的人。你不能说“城市里人很少”是因为城市数量不多，而是因为你在某个时间点，只能看到某个特定区域里的人，而且你还得能清楚地分辨出每个人。我们对宇宙的认知，就像是一个正在不断完善的望远镜和观测计划。随着技术的进步，我们发现的系外行星数量正在爆炸式增长，而且越来越多的“类地行星”也被发现。

所以，与其说“行星数量很少”，不如说“我们能探测到的、且符合我们特定标准（比如大小、轨道）的行星，相对于宇宙的总恒星数量来说，我们还有很多未知的领域等待探索”。 这反而更令人兴奋，不是吗？宇宙充满了未知，等着我们去发现。

网友意见

直接确认存在的数量少是因为我们现有的探测能力太差，体型大到对恒星自转轴产生明显影响或从恒星前通过造成光度明显变化的才能让我们较为容易地探测到。而且最近几年发现的太阳系外行星数量太多、NASA的人手不够，许多数据只经过了草率的处理，需要人工智能和民间爱好者帮助修正。一些过去发表的数据已经被后来的观测推翻^[1]。

现在去观测太阳系外行星，最多能拍摄到若干个像素^[2]，要靠光谱分析、轨道半径、恒星输出来推测行星的状况；绝大部分情况下行星连一个像素都拍不出来，要拿行星从恒星前通过时恒星光度的变化来推测行星的存在及其可能的半径、用恒星光谱里的吸收线去推测行星大气的状态。这样推测出的地表状况是非常不准确的，地貌特征只能靠大致温度说说是否可以有岩石、液态水或冰、熔岩之类，具体的地形是不知道的，行星质量、体积大小几乎都是估计值，误差范围很大。

在恒星附近“到底有几个行星”这方面，质量大、可以从恒星的摆动中推测出的气态巨星与冰巨星、热木星等相对容易发现与确认^[3]，一个恒星附近存在着多颗行星时，相互之间的引力对轨道会有微小的摄动，一颗行星凌日周期的变化可以表示另一颗行星的存在，即使另一颗行星未被观测到凌日也一样，但影响过小的行星在遥远的距离外跟误差难以区分。岩石行星、距离恒星非常远以至于难以测出其影响的行星的数量不容易把握，可能被低估。

距离我们超过1000光年的恒星附近有没有较小的行星是很难观测的，数万光年外的就随缘了，而且越遥远的目标的体积与质量估计的准确度也越差。例如1996年在49亿光年外发现了一个微引力透镜事件，可能是行星从类星体前通过造成的。比较确定的遥远行星例如12400光年外的PSR B1620-26 b、27710光年外的SWEEPS-04^[4]。这距离远比不上银河系的半径，银河系内绝大部分行星靠当前的技术都还无法发现。

截止2018年3月21日，NASA确认存在的系外行星到地球的距离范围：

太阳系外行星的轨道主要是拿观测数据用物理定律计算的，能观测到影像来检验的太阳系外行星是极少数。对轨道平面的把握并不精确；行星自转状况也是计算上推测的，距离恒星特别近的潮汐锁定判断一般没问题，自转轴倾角、有无卫星影响之类就很难考虑了，缺乏精确度。

但我们可以根据现在的观测数据进行推测。在较近的距离上，我们可以发现几乎每个被观测的恒星都有行星环绕，17%的恒星有一颗0.8-1.25倍地球大小的行星在85天或更短的公转周期轨道环绕着。大约四分之一的恒星有一颗1.25-2倍地球大小的行星在150天或更短的公转周期轨道环绕着。更大的行星可以在更远的距离更容易地被探测到。四分之一的恒星有一颗2-4倍地球大小的行星在250天的公转周期轨道环绕着。大约3%的恒星有4-6倍地球大小的行星在环绕。约5%的恒星有6-22倍地球大小的行星在400天或更短的公转周期轨道环绕。

NASA在太阳系附近观测到的褐矮星数量约为同一范围内恒星数量的六分之一。2017年，根据对5500光年外年轻的大质量星团RCW 38的观测^[5]，科学家估计银河系里的褐矮星数量在250亿到1000亿之间^[6]。银河系里恒星的数量估计在2500亿±1500亿^[7]（还有更大的估计，例如根据银河系的可能质量和常见的恒星质量给出数万亿的结果^[8]），围绕恒星运转的行星数量不低于恒星数量^[9]，还有不围绕恒星的星际行星（所谓“流浪行星”）。2011年，NASA估计银河系内质量接近木星的星际行星的数量可达恒星数量的两倍^[10]。

其它星系里的比例状况跟银河系不会有本质区别。

参考

1. ^ 例如HIP 11952附近曾经被认为有两个行星，但后来更高精度的观测认为那是误差导致的，实际上没有行星。
2. ^ 这还要是体积非常大、距离恒星较远、散发大量红外线的年轻行星，以供我们现在的技术成像
3. ^ 行星绕着恒星公转时，恒星也会绕着与行星的共同质量中心微微移动，恒星径向速度的变化可以通过多普勒效应在谱线上产生变化而被测出。
4. ^ 该行星的质量上限是3.8倍木星质量，最佳拟合半径约0.81倍木星半径，误差高达12%。
5. ^ 其结果与在其他年轻恒星形成区域中发现的一致，没有证据表明高恒星密度和大量大质量恒星的存在会改变褐矮星与极低质量恒星的形成效率。
6. ^ https://arxiv.org/abs/1707.00277
7. ^ https://asd.gsfc.nasa.gov/blueshift/index.php/2015/07/22/how-many-stars-in-the-milky-way/
8. ^ http://www.astronomycafe.net/FAQs/q76x.html
9. ^ https://arxiv.org/abs/1202.0903
10. ^ http://www.jpl.nasa.gov/news/news.cfm?release=2011-147

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