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捕捉光芒中的暗点:探测系外行星的“直接影像法”  

2014-05-20 11:10:27|  分类: 仰望星空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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捕捉光芒中的暗点:探测系外行星的“直接影像法” - kxsj - Newton-科学世界

最近,加拿大蒙特利尔大学的天文学家通过直接影像法,在双鱼座方向发现了一颗新的系外行星GU Psc b。它与母星的距离约2000AU1AU=1.5亿公里),是目前发现的距离母星最遥远的系外行星,公转一周需要8万个地球年。

看到这个消息,许多小伙伴都疑惑了:系外行星居然还可以用“直接影像法”观测到!

是的,听起来不可思议,不过“直接影像法”确实是寻找系外行星的一种方法。今天我们就来了解一些关于“直接影像法”的二三事。

系外行星的直接观测是非常困难的。小而黯淡的行星很容易被它们母星明亮的光线所掩盖。只有满足一些特殊的条件时,才能用望远镜直接观测到它们。 

【最早的系外行星直接影像】

20047月,一个天文学家团队利用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜阵列(VLT)拍到了200光年外一个“行星质量天体”2M1207b。它非常靠近半人马座的褐矮星2M1207,质量大约是木星的310倍。进一步的观测证实它围绕着2M1207旋转,因此许多人把它看作人类首次直接拍摄到的系外行星。但另一些人则抱有怀疑的态度:他们认为这颗行星之所以能被拍到,是因为它的母星是一颗褐矮星,比真正的恒星黯淡很多。而行星应该是围绕恒星而不是褐矮星旋转,所以他们认为它称不上一颗行星。(没有母星的“流浪者行星”们哭了……)

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 VLT拍到的2M1207(蓝白色)与2M1207b(红色)。在地球的天空中,这两个天体的距离小于1角秒。图/ESO

 

200811月,一组天文学家宣布,他们用哈勃望远镜拍到了北落师门(即“南鱼座α星”)周围的一颗行星(北落师门b)。北落师门周边围绕着一圈厚厚的尘埃盘。尘埃盘的内边缘被科学家认为是行星“北落师门b”清理出来的轨道。根据这个,科学家能在哈勃望远镜拍摄的图片中定位出它的准确位置。这颗行星的质量不超过木星的2倍,但极其明亮。天文学家认为,它太小了,以至于根本不可能被拍下,我们拍到的,只是它周围一个比土星光环厚、也更炫目的光环系统。

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 哈勃望远镜拍摄的这幅可见光照片,显示了北落师门周围的情况,包括它的尘埃盘和的行星。恒星的光芒被日冕仪遮掩。

 

北落师门b消息发布的同一天,另一组天文学家也宣布,他们拍到了3颗围绕恒星HR8799旋转的系外行星。与北落师门b不同,它们被拍到了实体的影像(红外)。HR8799是一颗年轻的恒星,因此它周围的行星仍处于炙热的状态,在红外波段非常显眼。不过,在可见光波段中,这些行星还是远远不足以被肉眼看到。

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 HR8799和三个行星

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 HR8799的三颗行星想象图。图/ Lynette Cook

 

【日冕仪:拨开光芒的迷雾】

为了遮掩母星强烈的光线,需要用到“日冕仪”。

日冕仪(Coronagraph)实际上是一种人造“日食”,由法国默东天文台的贝尔纳·费迪南·李奥在1930年发明,当时主要用来研究太阳的日冕和日珥的形态及光谱变化,现在越来越多地改进用来寻找系外行星。

用日冕仪把恒星的光遮住之后,只要有精良的仪器,那么观测到恒星周围的行星,就更容易了。

 

【涡状日冕仪:小口径望远镜也可观测到系外行星】

2010年,NASA主持的TPF计划(Terrestrial Planet Finder)中,帕萨迪纳喷气推进实验室的Gene Serabyn和他的同事开发了一种新的日冕仪——“涡状日冕仪”(vortex coronagraph),将日冕仪和自适应光学(用来去掉大气湍流造成的扰动)结合起来,可以让口径更小的望远镜直接拍摄到系外行星。该团队使用威尔逊山天文台海尔望远镜1.5米的一部分镜面拍摄到了前文所述的恒星HR 8799周围的三颗行星。

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 Gene Serabyn和同事用涡状日冕仪,利用小望远镜拍到的HR8799三星

这三颗被称为HR8799bcd的行星,就是前文所述的与“北落师门b”同一天发布的那三颗行星。它们被认为是类木的气体行星,但是质量更大。与母星的距离分别为243868AU。它们最早是被夏威夷岛上的两个较大的望远镜捕捉到:一个是凯克天文台的10米口径望远镜,另一个是北双子座天文台的8米口径望远镜。

Serabyn估算,即使在2m口径的望远镜上,涡状日冕仪也可以分辨30光年以外、1个天文单位之内的行星。

如果小望远镜也能发现系外行星,这就意味着,大望远镜将能发现以前更难发现的行星:那些离我们更远、距母星更近、体积更小、也更像地球的行星——目前发现的地外行星大部分都是体积很大、类似木星的气体行星。这也是我们寻找地外生命的主要目标。


【最先进的双子座系外行星成像仪(GPI)】

双子座行星成像仪(GPI),是位于智利的南双子座天文台8米口径望远镜的一个装置。它不仅可以解决母星光芒的干扰,筛选出系外行星微弱的光线,还可以分析系外行星的大气成分和温度。

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 GPI由一个用来移除大气扰动的自适应光学系统、一个挡住恒星星光的日冕仪、一个红外线探测仪和一个光谱仪组成。成像仪可以通过分析行星的光谱来确定它的成分以及表面温度,还可以拍摄偏振光照片。

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 双子座系外行星成像仪拍下了第一张行星的照片——Beta Pictoris b,围绕着恒星Beta Pictoris旋转。恒星被日冕仪遮挡,这样它的光线就不会遮盖住行星。

 

还记得“太空小陀螺”Beta Pictoris b吗?GPI拍摄的第一个行星就是它。于20131111日光棍节那天拍摄。GPI花了60秒来拍摄这张照片,而以前这个过程需要1个小时。

这颗发现于2008年的巨行星比木星大2/3,质量是地球的3000倍,位于63光年外,围绕一颗叫绘架座β(Beta Pictoris)的恒星旋转。最近,科学家测量出它的自转周期仅8小时,赤道时速10万公里,是地球的60倍。这也是人类第一次测出系外行星的自转速度。

通过GPI,科学家发现Beta Pictoris b公转一周需要花20.5年,距离母星的距离是地日距离的9倍,比土星的距离稍近一点。

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 GPI拍下年轻的恒星HR4796A周围的尘埃盘发出光线。这个狭窄的光环被认为是小行星或彗星留下的。一些科学家认为,光环狭长的形状是由一颗看不见的行星造成的。

 

 GPI比以前的系统灵敏8倍。科学家准备用1年的时间来调整它。从201411月开始,计划花34年的时间来扫描600颗年轻的恒星,寻找更多的行星。

  

“直接影像法”的魔力

对人类来说,“看见”是有魔力的。能直接看见这些系外行星,仿佛我们也离他们更近了一些。

 

而对于科学家来说,这些被直接影像法“看见”的系外行星,提供了非常有价值的线索。比如,北落师门b与原行星盘的相互关系,以及它在红外波段不可见的特性,说明它的质量非常小。然而它却发出耀眼的光芒,据此科学家判断它周围有一个厚重的光环系统。在HR8799中,行星发出的红外辐射,结合行星起源的模型,科学家可以初步估计它的质量。

直接影像法适用于那些距离母星较远,且行星系统“面向”地球的行星。这是对“径向速度法”的补充,因为径向速度法适用于那些离母星较近、且轨道边缘面对地球的行星系统。

其他探测系外行星的方法还有凌日法、微引力透镜法等。微引力透镜法前段时间发现了第一颗疑似系外卫星。

不过每一种方法都有其局限性,比如,微引力透镜发生的几率非常小,而且基本上不可能再发生第二次,因此不可能进行持续的研究。

 

最后,期待GPI能给我们带来更多可以“看见”的系外行星,这是人类对生命起源的不懈追寻和探索未知的梦想。

 

 

 

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