天文學(xué)導(dǎo)論-系外行星

1、天文學(xué)導(dǎo)論天文學(xué)導(dǎo)論第第6講講系外行星與地外生命系外行星與地外生命 Exoplanets (planets around other stars)本講內(nèi)容本講內(nèi)容引言：系外行星存在的證據(jù)方法：探測系外行星的5大技術(shù)歷史：不該有行星的脈沖星特征：系外行星與太陽系大不同方向：尋找類地行星的宏偉計(jì)劃目的：搜尋地外生命與智慧生物1。引言：系外行星存在的證據(jù) 哥白尼普遍性原則：我們所處的宇宙小小角落只不過是宇宙浩瀚星海中的普通一員，沒有任何理由認(rèn)為我們的太陽系是宇宙中的特殊存在 我們居住的這顆普通行星圍繞著一顆普通的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，這顆普通恒星處于普通星系中的一個(gè)普通區(qū)域，而這個(gè)普通星系也處于宇宙中的一個(gè)普通

2、區(qū)域問題所在問題所在This planet is quite faint anywayBut having its star nearby makes it almost completely invisible 為什么不用最好的望遠(yuǎn)鏡去看一看鄰近的恒星有沒有行星? 有沒有“地球”? 有沒有“人”？ 問題是行星很黯淡，十分靠近它們的恒星，恒星比行星要亮109倍塵埃盤(Dust Disks)暗示行星的存在 目前最好的望遠(yuǎn)鏡實(shí)際上“看不到”恒星周圍的行星，特別是處在地球這樣位置的地球這樣的行星 第一條線索是太陽系形成的理論：太陽系被認(rèn)為是產(chǎn)生于一個(gè)環(huán)繞著恒星的由氣體和塵埃組成的轉(zhuǎn)動(dòng)著的吸積盤 所以

3、，如果我們的理論正確，我們應(yīng)該在宇宙中別的地方看到類似的盤，行星可能從中產(chǎn)生 塵埃盤十分常見，事實(shí)上所有新誕生的恒星都有獵戶星云中正在形成行星的地方：塵埃盤輪廓獵戶星云中正在形成行星的地方：塵埃盤輪廓太陽系大小熱氣體的光學(xué)發(fā)射線ionized oxygen (blue), hydrogen (green), and nitrogen (red)新形成恒星獵戶星云中的側(cè)對(duì)地球的原行星盤熱氣體的光學(xué)發(fā)射線（蘭、綠、紅）發(fā)射線被濾掉距離距離1500光年，直徑光年，直徑17倍太陽系倍太陽系 HST的日冕觀測儀觀測到年輕恒星周圍的塵埃環(huán)或盤（即使大部分原行星盤消失以后），它們差不多位于太陽系行星所在位置

4、的外圍 奇怪的是，一些塵埃環(huán)或盤的中央好像有空隙，難道這些地方已經(jīng)形成行星？越小越亮 為什么在看不到行星時(shí)卻能觀測到塵埃顆粒呢？ 因?yàn)閴m埃顆粒的合成光十分強(qiáng)！ 給定質(zhì)量M 一個(gè)行星 r1000km， 許多塵埃 r1微米 塵埃反射星光的總亮度是一個(gè)行星的1012 倍 每塊巖石的（反射）亮度正比于r2，巖石的數(shù)目反比于r3 Another dust disk ( the cross is the coronagraph). Left：from the Ground, Right： from HST 著名的繪架座星的塵埃盤側(cè)對(duì)著地球 仔細(xì)觀測會(huì)發(fā)現(xiàn)塵埃盤是彎曲的，在上下擺動(dòng)，可能是一個(gè)大質(zhì)量行星的引

5、力作用使塵埃盤扭曲塵埃盤普遍存在塵埃盤普遍存在 實(shí)質(zhì)上每一個(gè)新生的恒星周圍都有一個(gè)塵埃盤 如果相信塵埃盤和行星同時(shí)形成，這就是說每一顆恒星周圍實(shí)質(zhì)上都有行星 塵埃盤的觀測為行星在宇宙中無處不在提供了重要的線索 但是也許形成塵埃盤時(shí)并未產(chǎn)生行星，而且即使行星形成，我們也不清楚它們是什么 這些證據(jù)是間接的，對(duì)這些“虛幻的行星”有沒有更好的證據(jù)？2。方法探測系外行星的5大技術(shù)系外行星探測技術(shù)1：直接成像法 通過天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測時(shí)，由于恒星過于明亮而無法發(fā)現(xiàn)行星。 在遮擋恒星光的情況下利用紅外光進(jìn)行觀測就可以分辨出行星。 在天文望遠(yuǎn)鏡上加裝日冕儀，降低恒星亮度，直接拍攝行星。北落師門b（Fomalh

6、aut b）：年輕的行星 北落師門：1等亮星，距離25光年，年齡1-3億年 偏心的橢圓塵埃殘骸盤（柯伊伯帶） 25等行星 共同的自行 圍繞北落師門公轉(zhuǎn)周期870年 距北落師門199AU海王星到太陽距離的4倍 質(zhì)量 3倍木星HST，日冕儀，600nmHR 8799bcd：放大版的太陽系 HR 8799：飛馬座6等星，距離130光年，年齡約6000萬年 dcb分別在24、38和68個(gè)天文單位處繞恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，周期100、190和460年，質(zhì)量分別為木星的10、10和7倍 同一軌道平面內(nèi)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（垂直視線） 褐矮星？與行星的區(qū)別定義？6個(gè)直接成像系外行星與太陽系的比較系外行星探測技術(shù)2：天體測量學(xué)法

7、原理：考慮雙星系統(tǒng)圍繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)M1 M2 V1 V2 D Centre of Mass R1 R2 恒星的反射（Reflex Motion）運(yùn)動(dòng)或稱擺動(dòng) 恒星和它的行星環(huán)繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)。如果質(zhì)量相等，則轉(zhuǎn)動(dòng)中心在兩者中間；實(shí)際上，恒星質(zhì)量遠(yuǎn)大于行星，所以轉(zhuǎn)動(dòng)中心更靠近恒星（甚至在其內(nèi)部） 當(dāng)行星旋轉(zhuǎn)時(shí)，恒星沿較小的軌道旋轉(zhuǎn)，但兩者的軌道周期相等 恒星軌道的大小取決于行星的質(zhì)量和兩者之間的距離。大質(zhì)量行星（如木星）使恒星的運(yùn)動(dòng)顯著。行星越靠近恒星，則恒星的擺動(dòng)越大 所以，原則上即使看不到行星，我們也能從恒星的運(yùn)動(dòng)得知行星的存在天體測量學(xué) Astrometry 天體測量學(xué)：高精度測

8、量恒星在天球上的位置移動(dòng) 通常被認(rèn)為是天文學(xué)中最枯燥最令人厭煩的學(xué)科：年復(fù)一年地監(jiān)測某顆恒星在天球上的位置來搜索它的擺動(dòng) 測量恒星的微小擺動(dòng)非常困難，已有幾十年的歷史行星對(duì)其母恒星的運(yùn)動(dòng)軌跡所造成的干擾How can we use this? 如果觀測到一個(gè)恒星在做某種軌道（反射）運(yùn)動(dòng)，我們可以確定 恒星運(yùn)動(dòng)的軌道周期 恒星運(yùn)動(dòng)的軌道速度 由此可以確定引起反射運(yùn)動(dòng)的天體（行星）的質(zhì)量和其到做反射運(yùn)動(dòng)天體（恒星）的距離從32.6光年處所看到的由木星的引力所造成的太陽的位置移動(dòng)系外行星探測技術(shù)3：視向速度法Here is their latest data on 51 Peg - not much

9、 doubt about this wiggle!多普勒效應(yīng)發(fā)揮威力 視向速度測量 radial velocity measurements：應(yīng)用多普勒效應(yīng)高精度測量恒星靠近或遠(yuǎn)離我們的速度（即恒星的視向運(yùn)動(dòng)） 由多普勒效應(yīng)得到恒星的反射運(yùn)動(dòng)的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于天體測量方法 絕大部分系外行星由此方法間接發(fā)現(xiàn)系外行星探測技術(shù)4：行星掩食法 當(dāng)行星運(yùn)行到恒星前面時(shí)，會(huì)遮擋很小一部分恒星光，而使得恒星周期性地變暗事實(shí)上并未看到行星The Data for HD 209458 And here is the data: notice how it gets fainter (by an awesome 1.

10、5%) at just the correct time（1991年11月）Predicted onset of Eclipse目前COROT精度高達(dá)萬分之幾！ 由恒星亮度的變化可推算出行星的大小 由于掩食，對(duì)此行星的了解要多于其它系外行星。他的體積比木星稍大，但是質(zhì)量更小，說明其密度很低，甚至低于土星（太陽系密度最低的行星）系外行星探測技術(shù)5：微引力透鏡法 當(dāng)一顆恒星及其行星從遠(yuǎn)處背景恒星前經(jīng)過時(shí)，引力透鏡效應(yīng)增強(qiáng)背景恒星的亮度，從而能夠顯示恒星及其行星的存在 b3。系外行星早期探測的曲折歷程 早期的系外行星探測利用天體測量學(xué)技術(shù) 1969年，van de Kamp 聲稱探測到了一個(gè)很近的矮

11、星 Barnards Star（巴納德星）的周期擺動(dòng)： 由兩個(gè)木星質(zhì)量大小的行星引起，一個(gè)軌道周期為12年，另一個(gè)26年 人們質(zhì)疑：如何僅用10年數(shù)據(jù)得到12年或26年的擺動(dòng)周期？并且也沒得到進(jìn)一步確認(rèn) 此結(jié)果雖廣為流傳，但是相信它的人越來越少 1983年，Harrington 等聲稱發(fā)現(xiàn) star VB8 更大的擺動(dòng)。這一次引起擺動(dòng)的行星質(zhì)量必須很大,估計(jì)為木星的50倍 兩年后，McCarthy 聲稱真正觀測到了這顆行星：利用斑點(diǎn)干涉測量法（speckle interferometry）過濾掉明亮的恒星光 許多人企圖重復(fù)他們的結(jié)果，都未成功 “是不是外星人意識(shí)到地球人在注視他們而隱藏起來了？

12、” 結(jié)果是，尋找系外行星在天文界變得臭名昭著第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的系外行星卻呆在不該呆的地方 Finally, in 1991, the first success - a definite discovery of planets outside our solar system, using the reflex motion technique 但仍有一個(gè)障礙：這個(gè)行星位于一個(gè)不應(yīng)該有行星的一個(gè)中子星旁 正常的大質(zhì)量恒星爆炸（超新星爆發(fā)）后形成中子星。任何恒星原有的行星會(huì)被超新星的沖擊波蒸發(fā)掉或被拋到星際空間。中子星是恒星爆炸后所遺留下來的致密天體，應(yīng)該絕對(duì)不會(huì)有行星的脈沖星行星脈沖星行星 Pul

13、sar Planets 1991年，兩個(gè)脈沖星研究小組報(bào)道了不可能的脈沖星行星 A British group led by Australian Matthew Bailes 發(fā)現(xiàn) pulsar PSR1829-10 的脈沖在周期振動(dòng)：脈沖的到達(dá)時(shí)間在最小值和最大值之間變化 An American group discovered the same for pulsar PSR B1257+12：即脈沖信號(hào)存在周期性提前和推遲 第一個(gè)小組的計(jì)算錯(cuò)誤，行星是由于程序錯(cuò)誤生成的。但是第二個(gè)小組的結(jié)果是真實(shí)的：PSR1257+12 的確有兩個(gè)環(huán)繞它運(yùn)動(dòng)的行星！這兩個(gè)行星的合成引力使得脈沖星來回?cái)[動(dòng)

14、, 從而改變脈沖的到達(dá)時(shí)間! 現(xiàn)在相信這個(gè)系統(tǒng)有至少3個(gè)行星：一個(gè)質(zhì)量小于地球，另外兩個(gè)質(zhì)量是地球的3-5倍正常恒星有行星？ 脈沖星有行星。不該有，但的確有。即便有，也是奇怪的 顯然，這并不令地球人滿意：我們真正關(guān)心的是類太陽恒星是否有行星： 類太陽恒星的行星可能是舒適的，可能有像地球那樣的環(huán)境，并由此可知我們的太陽系是不是獨(dú)特的 1995年以前，我們對(duì)類太陽恒星是否有行星環(huán)繞一無所知 但現(xiàn)在已經(jīng)是今非昔比了多普勒效應(yīng)成就了地球人的夢想！ 如果恒星有行星繞轉(zhuǎn)，恒星則會(huì)前后擺動(dòng) ，因此恒星的輻射波長會(huì)周期性地變大和變小 但是，波長變化很小，木星對(duì)太陽的影響為大約10米/秒，對(duì)其它行星則更小 當(dāng)時(shí)

15、世界上最好望遠(yuǎn)鏡的多普勒測量精度大約是100米/秒（？） 相對(duì)地，脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間的周期性提前和延遲更容易捕捉艱苦而遲緩的觀測工作 大多數(shù)人放棄了多普勒效應(yīng)這種技術(shù)，因?yàn)橐蟮木缺却蠖鄶?shù)人所能得到的精度要高1000倍之多！ 但仍有少數(shù)不被天文界注意的小組孜孜不倦數(shù)十年來提高這種技術(shù)的精度，降低測量誤差 補(bǔ)償望遠(yuǎn)鏡溫度變化所產(chǎn)生的誤差 模擬并改正大氣條件變化（最困難，自適應(yīng)性光學(xué)） 逐步改進(jìn)儀器和數(shù)據(jù)分析技術(shù) 到了1995年.瑞士天文學(xué)家馬約爾（Mayor）和奎洛茲（Queloz）令世人驚駭?shù)匦嫉谝活w真正的系外行星找到了！ 幾十年的辛勤工作，多普勒測量技術(shù)提高到驚人的每秒幾米的精度！ 但

16、仍然不足以找到像木星這樣的行星，所以它們并不奢望發(fā)現(xiàn)行星 他們只是希望發(fā)現(xiàn)環(huán)繞鄰近恒星轉(zhuǎn)動(dòng)的矮星或褐矮星 但有一特殊恒星， 51 Pegasi (飛馬座) （類似于太陽的正常G 型星），的確在行為奇怪地第一顆系外行星真奇怪 飛馬51恒星視向速度變化超過100米/秒，周期4.2天。速度變化大的兩種可能： either by something massive (a dwarf star?) orbiting far away from 51 Peg from something smaller (like Jupiter?) orbiting very close in 無論哪種情況，如此快速的

17、軌道運(yùn)動(dòng)（周期4.2天）說明這個(gè)天體不僅小而且十分靠近51 Peg! 這個(gè)不可見的天體質(zhì)量約為木星的一半（兩倍土星，但它環(huán)繞51 Peg 運(yùn)動(dòng)的距離僅有 0.05 AU: 比水星到太陽的距離還要近8倍左右！Hot Jupiters 熱木星熱木星? Clearly this planet, if real, was nothing like any planet in our solar system! With a mass of half Jupiters, youd expect it to be a gas giant. But what is it doing so very clos

18、e to the star - practically skimming the surface?依然懷疑主導(dǎo) 激動(dòng)人心！第一顆系外星系找到了 毋容置疑，除了媒體沒有人真正相信 Mayor and Queloz 的結(jié)果 我們已多次知道尋找日外行星是癡心妄想；數(shù)據(jù)如同垃圾 這類行星（大質(zhì)量木星比水星還要靠近恒星）沒有什么意義。我們認(rèn)為我們理解了行星是如何形成的，因此這類行星沒有權(quán)利存在 （遷移？） 但是接著來自舊金山一個(gè)沒有名氣大學(xué)的兩個(gè)來自舊金山一個(gè)沒有名氣大學(xué)的兩個(gè)沒有名氣的天文學(xué)家沒有名氣的天文學(xué)家 Geoff Marcy （馬西）和（馬西）和 Paul Butler 也莊嚴(yán)地也莊嚴(yán)地 宣

19、布宣布確認(rèn)第一顆系外行星的身份 多年來Paul Butler and Geoff Marcy也在提高多普勒效應(yīng)測量的精度 對(duì)環(huán)繞G-type stars的矮星多年巡天，得到大量數(shù)據(jù)，但沒有分析，因?yàn)樗麄兊木群蚆ayor and Queloz的類似，精度太差不會(huì)發(fā)現(xiàn)木星之類的天體。所以不奢望發(fā)現(xiàn)行星 當(dāng)耳聞Mayor and Queloz的結(jié)果后，他們開始分析自己的數(shù)據(jù)。碰巧他們也觀測了51 Peg, 并發(fā)現(xiàn)該恒星的擺動(dòng)與Mayor and Queloz發(fā)現(xiàn)的完全一致 兩個(gè)小組能夠發(fā)現(xiàn)如此小的擺動(dòng)是因?yàn)檫@顆行星太靠近恒星了。假如把它放得遠(yuǎn)一點(diǎn)，例如木星的位置（5 AU），則恒星擺動(dòng)會(huì)變得小得觀

20、測不到！ 發(fā)現(xiàn)一些恒星的擺動(dòng)復(fù)雜，表明存在多個(gè)行星 2-planet systems 3-planet systems 5-planet systems The best example is Upsilon (20th) Andromedae系外行星系 Multiple Planet Systems（長周期）微擺動(dòng) Jiggling Motion Here is a graph of its changes in velocity (as measured by the Doppler shift of its spectrum). Note the complex pattern - ev

21、idence for at least three planets.All Candidates detected: 494 planets（update: 2010/10/22）Candidates detected by radial velocity or astrometry: 390 planetary systems461 planets 45 multiple planet systems Transiting planets: 105 planetary systems 106 planets 7 multiple planet systemsCandidates detect

22、ed by microlensing: 10 planet systems11 planets 1 multiple planet systemsCandidates detected by imaging: 10 planet systems12 planets 1 multiple planet systemsCandidates detected by timing: 6 planetary systems 10 planets 3 multiple planet systems4。系外行星的統(tǒng)計(jì)特征： 與太陽系大不同 質(zhì)量大，距恒星近熱木星2001 List of Planets, f

23、ound using the Doppler technique.Mercurys OrbitVenus OrbitEarths OrbitMultiple-planet systems質(zhì)量大，離恒星近 十分奇怪的行星：相當(dāng)大，大于土星，有些甚至大于木星（太陽系老大也相形見絀！） 這些大質(zhì)量行星非?？拷鼈兊暮阈?！但在太陽系，大質(zhì)量行星由氣體組成，位于外太陽系Earth Jupiter Our Solar System Hot Jupiter Systems ? ? ? ? 軌道橢 大多數(shù)日外行星的軌道非常橢，明顯不同于太陽系Us Them Bigger Telescopes Since 19

24、95, the planet searchers have been able to use bigger telescopesCoRoT-7b：第一顆系外巖質(zhì)行星歐空局 ESA: 2006年12月27日發(fā)射，尋找圍繞其它恒星公轉(zhuǎn)的可居住的類地行星2009/02/03 CoRoT探測到質(zhì)量最小的系外行星直徑為地球的1.7倍（凌星法）質(zhì)量為地球的5倍（視向速度）密度為5.6（地球密度5.52）絕非氣態(tài)巨行星，地球距離恒星最近的系外行星，水星距太陽距離的1/23，公轉(zhuǎn)周期20小時(shí)白天溫度2000度，夜間-200度惡劣條件，任何生命無法承受，地獄“超級(jí)地球” 400多顆系外行星中大多為氣態(tài)巨行星 超

25、級(jí)地球：體積介于海王星和地球之間，質(zhì)量為地球的5-10倍 是否為巖質(zhì) 10多顆候選者 在各行星系中有30%的行星為超級(jí)地球 對(duì)質(zhì)量與地球相近的系外行星進(jìn)行觀測水，而且是液態(tài)水 全新挑戰(zhàn)：正是對(duì)于外星生命的探尋 也許已發(fā)現(xiàn)一顆位于可居住區(qū)域、適合生命存在的巖質(zhì)行星，距離其恒星不遠(yuǎn)也不近而存在液態(tài)的水 液態(tài)水是生命誕生的第一要素？不僅體積合適，而且位置恰當(dāng) Gliese 581c：日地距離的1/4 質(zhì)量10倍地球 不掩星，不知密度及構(gòu)成如何探測到生命的存在呢？ 10枚以探索太陽系的探測器回望藍(lán)色的地球 地球光譜的“缺失” 地球大氣層的構(gòu)成 顯示生命存在的“生物標(biāo)志物” 對(duì)生命進(jìn)行遠(yuǎn)程探測有可能實(shí)現(xiàn)

26、的第一項(xiàng)證據(jù) 生命特征本身是無法遠(yuǎn)距離探測的，但大氣層因?yàn)樯顒?dòng)而發(fā)生的變化可以從遠(yuǎn)距離探測 唯一能明確證明生命存在的生物標(biāo)志物：氧、二氧化碳和水蒸氣的組合（光合作用） 先以氣態(tài)巨行星為目標(biāo)：水、甲烷、二氧化碳5。目標(biāo)：未來30年找到“異域生命”？Kepler spacecraft lifted off March 6, 2009 Kepler Mission is specifically designed to survey our region of the Milky Way galaxy to discover hundreds of Earth-size and smaller

27、planet and determine the fraction of the hundreds of billions of stars in our galaxy that might have such planets達(dá)爾文計(jì)劃（達(dá)爾文計(jì)劃（ESA）：概念）：概念 Darwin will be a flotilla of four or five free-flying spacecraft that will search for Earth-like planets around other stars and analyse their atmospheres for the c

28、hemical signature of life. 概念概念Terrestrial Planet Finder is a mission concept currently under study by NASA for a potential future mission suite. TPF would study all aspects of exoplanets: from their formation and development in disks of dust and gas around newly forming stars to their suitability a

29、s abodes for life. 30億美元的太空計(jì)劃：三選一 干涉測量法計(jì)劃：尋找生命分子（達(dá)爾文+TPF） 簡單日冕觀測法計(jì)劃：發(fā)現(xiàn)行星表面大陸 配備外置式遮光裝置的日冕觀測法計(jì)劃：發(fā)現(xiàn)植物6。地外生命與文明的探索。地外生命與文明的探索 太陽系中的生命探索 人類的家園地球 地球上的生命來自隕石和彗星？ 火星：最熱鬧的搜尋目標(biāo) 土衛(wèi)六泰坦（Titan）：類似地球的大氣 木衛(wèi)二歐羅巴（Europa）：地貌，可能的地下海洋 土衛(wèi)二（Enceladus）：可能的地下海洋 金星：可能曾經(jīng)擁有海洋 在尋找外星生命時(shí)，應(yīng)該超越以地球生命為依據(jù)而形成的對(duì)生命形態(tài)的思維定式？搜尋地外智慧生物（搜尋地外智慧生物（SETI） 20世紀(jì)50年代，射電望遠(yuǎn)鏡分辨率（波長）的提高，導(dǎo)致對(duì)外星智慧和文明的幻想和尋找 搜尋地外智慧生物 SETI（Search for extraterrestrial intelligence）： 分析來自宇宙的射電信號(hào)，確認(rèn)是自然過程產(chǎn)生的信號(hào)還是經(jīng)過智慧生物加工過的信號(hào)。結(jié)果除了取得信號(hào)處理技術(shù)成就外，一無所獲，但發(fā)現(xiàn)和理解了宇宙射電信號(hào)的性質(zhì)（類星體的發(fā)現(xiàn)）與外星人的通訊頻率與外星人的通訊頻率 能穿過地球和外星文明所在星球