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普通區(qū)域，而這個普通星系也處于宇宙中的一個普通

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)生于一個環(huán)繞著恒星的由氣體和塵埃組成的轉(zhuǎn)動著的吸積盤 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卻能觀測到塵埃顆粒呢？ 因為塵埃顆粒的合成光十分強(qiáng)！ 給定質(zhì)量M 一個行星 r1000km， 許多塵埃 r1微米 塵埃反射星光的總亮度是一個行星的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)對著地球 仔細(xì)觀測會發(fā)現(xiàn)塵埃盤是彎曲的，在上下擺動，可能是一個大質(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 實質(zhì)上每一個新生的恒星周圍都有一個塵埃盤 如果相信塵埃盤和行星同時形成，這就是說每一顆恒星周圍實質(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，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個天文單位處繞恒星轉(zhuǎn)動，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)逆時針旋轉(zhuǎn)（垂直視線） 褐矮星？與行星的區(qū)別定義？6個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M1 M2 V1 V2 D Centre of Mass R1 R2 恒星的反射（Reflex Motion）運(yùn)動或稱擺動 恒星和它的行星環(huán)繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動。如果質(zhì)量相等，則轉(zhuǎn)動中心在兩者中間；實際上，恒星質(zhì)量遠(yuǎn)大于行星，所以轉(zhuǎn)動中心更靠近恒星（甚至在其內(nèi)部） 當(dāng)行星旋轉(zhuǎn)時，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)動顯著。行星越靠近恒星，則恒星的擺動越大 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 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 測量恒星的微小擺動非常困難，已有幾十年的歷史行星對其母恒星的運(yùn)動軌跡所造成的干擾How can we use this? 如果觀測到一個恒星在做某種軌道（反射）運(yùn)動，我們可以確定 恒星運(yùn)動的軌道周期 恒星運(yùn)動的軌道速度 由此可以確定引起反射運(yùn)動的天體（行星）的質(zhì)量和其到做反射運(yùn)動天體（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） 由多普勒效應(yīng)得到恒星的反射運(yùn)動的精度遠(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，會遮擋很小一部分恒星光，而使得恒星周期性地變暗事實上并未看到行星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，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 聲稱探測到了一個很近的矮

11、星 Barnards Star（巴納德星）的周期擺動： 由兩個木星質(zhì)量大小的行星引起，一個軌道周期為12年，另一個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。這一次引起擺動的行星質(zhì)量必須很大,估計為木星的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 但仍有一個障礙：這個行星位于一個不應(yīng)該有行星的一個中子星旁 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)該絕對不會有行星的脈沖星行星脈沖星行星 Pul

13、sar Planets 1991年，兩個脈沖星研究小組報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：脈沖的到達(dá)時間在最小值和最大值之間變化 An American group discovered the same for pulsar PSR B1257+12：即脈沖信號存在周期性提前和推遲 第一個小組的計算錯誤，行星是由于程序錯誤生成的。但是第二個小組的結(jié)果是真實的：PSR1257+12 的確有兩個環(huán)繞它運(yùn)動的行星！這兩個行星的合成引力使得脈沖星來回擺動

14、, 從而改變脈沖的到達(dá)時間! 現(xiàn)在相信這個系統(tǒng)有至少3個行星：一個質(zhì)量小于地球，另外兩個質(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特的 1995年以前，我們對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)，恒星則會前后擺動 ，因此恒星的輻射波長會周期性地變大和變小 但是，波長變化很小，木星對太陽的影響為大約10米/秒，對其它行星則更小 當(dāng)時

15、世界上最好望遠(yuǎn)鏡的多普勒測量精度大約是100米/秒（？） 相對地，脈沖星的脈沖到達(dá)時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)，因為要求的精度比大多數(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（周期4.2天）說明這個天體不僅小而且十分靠近51 Peg! 這個不可見的天體質(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沒有名氣大學(xué)的兩個來自舊金山一個沒有名氣大學(xué)的兩個沒有名氣的天文學(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，因為他們的精度和Mayor and Queloz的類似，精度太差不會發(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)該恒星的擺動與Mayor and Queloz發(fā)現(xiàn)的完全一致 兩個小組能夠發(fā)現(xiàn)如此小的擺動是因為這顆行星太靠近恒星了。假如把它放得遠(yuǎn)一點，例如木星的位置（5 AU），則恒星擺動會變得小得觀

20、測不到！ 發(fā)現(xiàn)一些恒星的擺動復(fù)雜，表明存在多個行星 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 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“超級地球” 400多顆系外行星中大多為氣態(tài)巨行星 超

25、級地球：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%的行星為超級地球 對質(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” 對生命進(jìn)行遠(yuǎn)程探測有可能實現(xiàn)

26、的第一項證據(jù) 生命特征本身是無法遠(yuǎn)距離探測的，但大氣層因為生命活動而發(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)爾文計劃（達(dá)爾文計劃（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. 30億美元的太空計劃：三選一 干涉測量法計劃：尋找生命分子（達(dá)爾文+TPF） 簡單日冕觀測法計劃：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，應(yīng)該超越以地球生命為依據(jù)而形成的對生命形態(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，確認(rèn)是自然過程產(chǎn)生的信號還是經(jīng)過智慧生物加工過的信號。結(jié)果除了取得信號處理技術(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