系外行星探测方法简介

  1. 2周前

    baishuxu

    1楼 1月3日 天文版主
    2周前baishuxu 重新编辑

    本帖编辑、修改自本人知乎回答:目前探测类地行星的方法有哪些? - 知乎
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    在介绍系外行星探测方法之前,我们先对太阳系外行星这一概念做一个简单的介绍。

    所谓的太阳系外行星(Extrasolar Planets, or Exoplanets),指的就是环绕着一颗(或多颗)不是太阳的恒星公转的行星或者不环绕恒星公转的流浪行星。

    早在16世纪,信奉日心说的意大利哲学家Giordano Bruno就提出,

    天上那些如同太阳一样的星星们周围可能也像太阳一样被行星环绕。

    同样地,人类历史上最伟大的物理学家、数学家Isaac Newton也在其巨著《自然哲学的数学原理》的附录中提出了相似的观点。

    在19世纪,人们提出了许多探测系外行星的方法,但最终所有的天文学家所进行的观测得到的结果都是否定的。在1952年,也就是第一颗系外的热气体巨星被发现的40多年前,美籍乌克兰裔天文学家Otto Struve写道,

    没有任何理由认为行星不能离它们的中央恒星十分地近,甚至远远近于太阳系中行星与太阳的距离。

    他还建议人们使用多普勒光谱学凌日法来寻找近轨道上的“超级木星”(事实上,通过他所说的方法,我们确实发现了许多轨道半径很小的气体巨星)。

    1988年,加拿大天文学家Bruce Campbell, G.A.H. Walker & S. Yang通过径向速度法(实际上就是通过测恒星光谱的多普勒频移来测出速度)发现仙王座 γ周围可能存在行星,可惜这一结果直到2003年才得到确认。

    第一个被确认的检测出现在1992年,天文学家发现有几颗质量类似地球的天体环绕着脉冲星PSR B1257+12。PSR B1257+12是一颗位于室女座的脉冲星,距离地球大约980光年。它拥有三颗已经被证实存在的行星。此外,有人猜测它还拥有第四颗行星,但这个推测尚未被证实。

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    艺术家概念下的依照大小和轨道距离排序的PSR B1257+12行星

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    PSR B1257+12的行星系

    在主序星系统发现行星的第一个侦测结果出现在1995年,瑞士天文学家Michel G. E. Mayor和Didier Patrick Queloz通过径向速度法在飞马座51附近(51 Pegasi,距离太阳系约50.9光年,即15.6秒差距)发现了一颗以4天周期公转一周的巨大行星——飞马座51b。同年10月12日,旧金山州立大学的天文学家Geoffrey W. Marcy和加州大学伯克利分校的Paul Butler使用美国加州利克天文台的Hamilton摄谱仪确认了这项发现。

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    飞马座51b的艺术家想象图

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    飞马座51的行星系

    由于观测技术的进步,自此之后侦测到的数量与效率迅速的增加。最常见的系外行星是巨行星(Giants),类似于木星或海王星,但这也反映了取样偏差(也就是所谓的“幸存者偏差”),因为大质量、大体积行星比较容易被观察到。一些相对比较轻的系外行星,质量只有地球的几倍(所谓的超级地球 Superterra or Superearth),在统计上的研究表明它们的数量应该超过巨行星。

    截至2019年1月2日,人类已经探测到了3946颗系外行星,它们属于2945个行星系统,其中有650个行星系统已经有多颗行星被发现。在这些系外行星中,有798个是用径向速度法(Radial Velocity)探测到的,有2889个是用凌星法(Primary Transit)探测到的,有87个是用引力微透镜法(Microlensing)探测到的,有110个是用直接成像法(Direct Imaging)探测到的,有34个是用脉冲星计时法(Pulsar Timing)探测到的,甚至有6颗是用天体位置测量法 (Astrometry)探测到的。

    接下来,让我们回归正题,详细介绍探测系外行星的方法。

    1、径向速度法(Radial Velocity)

    径向速度法是典型的动力学方法,其原理的简单示意图如下:

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    径向速度法探测原理示意图

    我们不妨考虑一个简单的模型:一颗恒星和一颗行星分别绕着系统质心作圆周运动,那么行星和恒星都有着恒定的速率,但是在观察者看来,当恒星和行星的连线转到不垂直于视线方向时,我们所探测到的(视线方向投影的)速率是在变化的,这一变化体现在恒星光谱的频移中,就像下图中所示的那样

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    飞马座51的径向速度数据

    通过测量恒星光谱的频移,我们可以发现恒星绕着系统质心非常轻微的转动。如果我们没有发现它有伴星,那么我们就可以猜测它的周围可能有系外行星存在了。

    这一方法目前的探测精度大概在1m/s的量级,但是考虑到地球对太阳造成的速度大概只有0.1m/s的量级,目前用它来探测类似地球这样在黄白主序星的宜居带内的超级地球还是不太现实的。此外,这一方法只能给出行星的质量下限$M\sin i$,$i$为行星公转轨道轴线与视线方向的夹角。以及,径向速度法要求至少测出行星的半个周期或甚至一个周期,因此对于长周期的行星,这一方法的实用性并不大。但是,不管怎么样,径向速度法迄今为止还是最精确的探测系外行星的方法之一。

    2、脉冲星计时法(Pulsar Timing)

    其实这一方法的思想和径向速度法是类似的,基本原理在于脉冲星会发射周期性非常好的信号,所以当脉冲星相对地球的速度略有变化时,我们就可以测出它的径向速度。它的优点是精度极高,可以用来探测小质量的行星,但是局限性在于它只适用于脉冲星系统。脉冲星行星系统很少,因为行星难以存活于超新星爆发的威力下。此外,脉冲星的辐射强,不适合生命的存在(那里的行星上也没“太阳”光),所以并不是很能引起人们的兴趣。(下图来自于:A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12 ,感谢我的学弟hjunyi用校园网帮我下了文献……)跨 年 感 谢(池沼)

    PSR1257+12 period variation.png

    PSR B1257+12的脉冲周期变化图

    3、天体位置测量法 (Astrometry)

    这一方法其实蛮吓人的。它的原理是这样的。考虑我们要探测的目标星系在短期内绕银心运动近似走的是直线,但是双星或行星系统中恒星会有额外微小圆形或椭圆运动。通过探测这样微小的恒星位置变化,我们尝试着发现大轨道、大质量的行星。当然,这种方法的缺陷很明显——一是需要极高的仪器精度,二是需要极长的观测时间,三是对行星本身要求大质量、大轨道。目前这种方法已经找到了六颗行星,切哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope)幸运地拍到了Gliese 876的微小位移,以此证实了Gliese 876 d的存在。可惜的是,NASA发起的预计可以达到1μas的角分辨率精度太空干涉测量任务(SIM,Space Interferometry Mission)已经于2010年取消,目前也只有SDSS和2MASS这也的大尺度巡天项目能在这方面稍微帮点忙了。

    4、凌星法(Transiting)

    这个方法的原理很简单,就是行星在路过观察者和恒星之间时对恒星产生了挡光,恒星在观察者看来就变暗了,这就是凌星(Transit,也叫掩食)。

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    凌星法探测系外行星原理示意图

    这一方法的缺陷在于,行星的轨道平面和观察者的视线方向的夹角必须足够小,否则我们探测不到凌星,因此这一现象出现的几率并不大,类地球-太阳系统发生掩食的概率只有约0.5%。但是优点也很多,首先我们可以比较容易地通过空间项目来进行凌星检测(事实上,著名的Kepler望远镜和欧空局的CoRoT从事的就是这样的工作)。此外,通过行星掩食对恒星光谱的影响,我们可以分析行星自身的光谱特征,以此对行星大气有所了解,甚至可能可以在系外行星中探测有机分子和氧气、水蒸气的存在。此外,掩食法可以测量行星的大小,再考虑上其质量,就可以估算行星的密度,进而研究行星的结构。

    在这里插一句,前段时间炒得火热的KIC 8462852就是被Kepler望远镜观测到了异常的光变曲线进而引发了学界的兴趣,详见知乎用户 天倉五 的回答:如何看待2017年9月疑似戴森球的塔比星(KIC 8462852)出现的新变化? - 知乎

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    KIC 8462852在红外和紫外波段的照片

    5、引力微透镜法(Gravitational Microlensing)

    1915年,Albert Einstein提出了广义相对论。广义相对论是现代最广为人接受的描述引力的理论,它认为引力实际上是时空的几何效应——引述John Wheeler的话,“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”

    根据广义相对论,在引力场中运动的光线会被偏折,于是大质量的天体会产生可以被观测到的引力透镜(Gravitational Lensing)现象。天文学研究中最常见的包括星系和星系团形成的弱引力透镜(Weak Lensing)、大质量黑洞形成的强引力透镜(Strong Lensing)等,但是我们要讨论的并不是星系或者黑洞,而是恒星所形成的微引力透镜(Microlensing,也叫引力微透镜,不过无所谓了,反正都是一个意思)。引力透镜能造成很多很有趣的现象,如Einstein环或Einstein十字等,也可以增加背景天体的亮度,它在天文学研究中有很重要的地位。

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    引力透镜示意图

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    黑洞的引力透镜效应的模拟

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    通过Abell 2744星系团的引力透镜效应发现的遥远星系

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    球状星团NGC 6553中的一个致密天体产生的微引力透镜放大了背景里一颗红巨星的光

    那么引力透镜是怎么和系外行星产生关系的呢?请看下图。

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    引力微透镜法探测系外行星示意图

    如果没有这颗行星,透镜恒星对源恒星会造成亮度增大,但是行星的扰动会使得这个亮度的增量发生细微的变化,产生类似下图的数据:

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    The light curve data for MOA-2016-BLG-227 is plotted with the best-fit model. The top panel shows the whole event, the bottom left and bottom right panels highlight the caustic crossing feature and the second bump due to the cusp approach, respectively. The residuals from the model are shown in the bottom insets of the bottom panels. Credit: Koshimoto et al., 2017.

    通过仔细测量背景源恒星的亮度变化,我们就可以探测到前景透镜恒星周围有没有行星了。当然,这样的事件发生的概率是非常小的,甚至比凌星的概率还小。而且,这种方法得到的结果几乎无法重复,所以很难进行后续的观测,我们也很难通过这种方法得到关于行星的很多信息。不过,这种方法可以很方便地、小成本地监测很多恒星,且对小质量的行星比较敏感。

    6、直接成像法(Direct Imaging)

    顾名思义,这种方法就是直接拍照片。这种方法的优点在于我们可以直接看出行星的大小,且可以直接研究行星的光谱,但是缺点也很明显:恒星与行星亮度对比度大,导致较难发现行星,所以对仪器精度要求很高,而且这样的观测几乎没法在地面进行,因此这种方法对于空间观测的依赖性较大。

    直接成像法一个典型的例子就是北落师门(Fomalhaut)系统中北落师门b的发现。北落师门是南鱼座的主星,距离地球约25.1光年。它在地球上的视星等为1.16,是夜空中第17亮的恒星。2008年5月,加州大学伯克利分校的天文学家Paul Kalas从哈伯太空望远镜在2006至2008年间拍摄的照片中成功找出行星北落师门b的位置,如下图所示:

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    在围绕着北落师门恒星的岩屑环中,显现出了行星北落师门b的位置。Credits: HST的日冕仪

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    前苏联火箭之父、现代宇航学和火箭理论的奠基人Konstantin E. Tsiolkovsky曾经说过这样一段话(真实性待考,这里我是摘抄自美籍日裔物理学家加来道雄的书):

    较为优质的一部分人类十有八九永远不会灭亡,当太阳走向灭亡的时候,他们会从一个太阳系迁移到另一个太阳系。以人类的智慧和完美,生命没有止境,它的进程永久不断。
    The finer part of mankind will, in all likelihood, never perish -- they will migrate from sun to sun as they go out. And so there is no end to life, to intellect and the perfection of humanity. Its progress is everlasting.

    通过以上这些方法(和一些我没有提到的方法),我们已经发现了几千颗系外行星,其中有不少和地球类似的行星,有的甚至处于母星的宜居带(Circumstellar Habitable Zone)中。

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    系外行星周期表

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    系外行星数据分布图

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    系外行星位置分布图

    在未来,我们会用更先进的仪器(如TESS卫星搭载的仪器)和数据分析手段(Artificial Intelligence, NASA Data Used to Discover Exoplanet | NASA ),找到更多系外行星和卫星。在这些星球中,我们总有一天能找寻到人类的第二个家园或者地外生命甚至地外智慧文明存在的迹象。且让我们拭目以待吧!

    参考资料:
    维基百科相关条目
    The Extrasolar Planets Encyclopaedia
    The Habitable Exoplanets Catalog - Planetary Habitability Laboratory @ UPR Arecibo
    A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12

 

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