基礎(chǔ)天文學(xué)-地外行星課件

1、*尋找地外行星*尋找地外行星 銀河系直徑大約10萬(wàn)光年，其中分布著大約2000億顆恒星。 物理學(xué)定律：宇宙各處均相同。 引力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)、量子理論等物理規(guī)律是普適的；原子和分子的物理結(jié)構(gòu)是一樣的；宇宙中各處的二氧化碳分子也都是相同的。那么，我們的地球在宇宙中應(yīng)該也不是唯一的！ 銀河系直徑大約10萬(wàn)光年，其中分布著大約200生物學(xué)定律：是否也是放之宇宙而皆準(zhǔn)？ 水是地球生命所必須的，宇宙中的所有生命形式都需要水嗎？ DNA分子是生命的唯一解碼嗎？ 生命演化一定要往高智慧的方向發(fā)展嗎？ 或許智慧只是龐大的生命系統(tǒng)中某一個(gè)細(xì)小分支而已，還存在著數(shù)以百萬(wàn)的其他生命形式。生物學(xué)定律：是否也是放之宇宙而皆

2、準(zhǔn)？ 水是 目前在整個(gè)宇宙中，我們只了解地球上的生物學(xué)。我們還需要找到更多的樣本或在太陽(yáng)系中，或在更遠(yuǎn)的宇宙深處 在太陽(yáng)系內(nèi)搜尋（包括火星、木星及其衛(wèi)星等），還沒有找到生命存在的跡象。 現(xiàn)在我們將視野從太陽(yáng)系轉(zhuǎn)向銀河系 目前在整個(gè)宇宙中，我們只了解地球上的生物學(xué)。一：探測(cè)系外行星的5大技術(shù)一：探測(cè)系外行星的5大技術(shù)系外行星探測(cè)技術(shù)1：直接成像法通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，由于恒星過(guò)于明亮而無(wú)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(cè)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。系外行星探測(cè)技術(shù)1：直接成像法通過(guò)天文望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，由于系外行星探測(cè)技術(shù)2：天體測(cè)

3、量學(xué)法原理：考慮雙星系統(tǒng)圍繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)系外行星探測(cè)技術(shù)2：天體測(cè)量學(xué)法原理：考慮雙星系統(tǒng)圍繞它們的恒星和它的行星環(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)中天體測(cè)量學(xué) Astrometry天體測(cè)量學(xué)：高精度測(cè)量恒星

4、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(cè)某顆恒星在天球上的位置來(lái)搜索它的擺動(dòng)測(cè)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)軌跡所造成的干擾天體測(cè)量學(xué) Astrometry天體測(cè)量學(xué)：高精度測(cè)量恒星在How can we use this?如果觀測(cè)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How can we use this?如果觀測(cè)到一個(gè)恒星在系外行星探測(cè)技術(shù)3：視向速度法系外行星探測(cè)技術(shù)3：視向速度法Here is t

5、heir latest data on 51 Peg - not much doubt about this wiggle!Here is their latest data on 5多普勒效應(yīng)發(fā)揮威力視向速度測(cè)量 radial velocity measurements：應(yīng)用多普勒效應(yīng)高精度測(cè)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(cè)量方法絕大部分系外行星由此方法間接發(fā)現(xiàn)多普勒效應(yīng)發(fā)揮威力視向速度測(cè)量 radial velocit系外行星探測(cè)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

6、看到行星系外行星探測(cè)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)遮擋系外行星探測(cè)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(guò)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系外行星探測(cè)技術(shù)5：微引力透鏡法 當(dāng)一顆恒星及其行星從遠(yuǎn)OGLE-2005-BLG-390bOGLE-2005-BLG-390b二：系外行星早期探測(cè)的曲折歷程二：系外行星早期探測(cè)的曲折歷程早期的系外行星探測(cè)利用天體測(cè)量學(xué)技術(shù)1969年，van de Kamp 聲稱探測(cè)到了一個(gè)很近的矮星 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

7、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(lái)越少早期的系外行星探測(cè)利用天體測(cè)量學(xué)技術(shù)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(cè)到了這顆行星：利用斑點(diǎn)干涉測(cè)量法（speckle interferometry）過(guò)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(lái)了？”結(jié)果是，尋找系外行星在天文界變得臭名昭著1983年，Harrington 等聲稱發(fā)現(xiàn)

8、 star VB多普勒效應(yīng)成就了地球人的夢(mèng)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(zhǎng)會(huì)周期性地變大和變小但是，波長(zhǎng)變化很小，木星對(duì)太陽(yáng)的影響為大約10米/秒，對(duì)其它行星則更小當(dāng)時(shí)世界上最好望遠(yuǎn)鏡的多普勒測(cè)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多普勒效應(yīng)成就了地球人的夢(mèng)想！如果恒星有行星繞轉(zhuǎn)，恒星則會(huì)前艱苦而遲緩的觀測(cè)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(lái)提高這種技術(shù)的精度，降低測(cè)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

9、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.艱苦而遲緩的觀測(cè)工作大多數(shù)人放棄了多普勒效應(yīng)這種技術(shù)，因?yàn)橐鹗刻煳膶W(xué)家馬約爾（Mayor）和奎洛茲（Queloz）令世人驚駭?shù)匦既鹗刻煳膶W(xué)家馬約爾（Mayor）和奎洛茲（Queloz）令世第一顆真正的系外行星找到了！幾十年的辛勤工作，多普勒測(cè)量技術(shù)提高到驚人的每秒幾米的精度！但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(yáng)的正常G 型星），的確在行為奇怪地第一顆真正的系外行星找到了！幾十年的辛勤工

10、作，多普勒測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)天文學(xué)-地外行星第一顆系外行星真奇怪飛馬51恒星視向速度變化超過(guò)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 Pegfrom something smaller (like Jupiter?) orbiting very close in無(wú)論哪種情況，如此快速的軌道運(yùn)動(dòng)（周期4.2天）說(shuō)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

11、水星到太陽(yáng)的距離還要近8倍左右！-=第一顆系外行星真奇怪飛馬51恒星視向速度變化超過(guò)100米/秒依然懷疑主導(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？）但是接著依然懷疑主導(dǎo)激動(dòng)人心！第一顆系外星系找到了來(lái)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 Geoff Marcy （馬西）和 Paul Butler 也莊嚴(yán)地 宣布來(lái)自舊金山一個(gè)沒有名氣大學(xué)的兩個(gè)沒

12、有名氣的天文學(xué)家 Geof確認(rèn)第一顆系外行星的身份多年來(lái)Paul Butler and Geoff Marcy也在提高多普勒效應(yīng)測(cè)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(cè)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)

13、會(huì)變得小得觀測(cè)不到！確認(rèn)第一顆系外行星的身份多年來(lái)Paul Butler and三：系外行星的統(tǒng)計(jì)特征： 與太陽(yáng)系大不同 質(zhì)量大，距恒星近熱木星三：系外行星的統(tǒng)計(jì)特征： 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(yáng)系老大也相形見絀！）這些大質(zhì)量行星非?？拷鼈兊暮阈牵〉谔?yáng)系，大質(zhì)量行星由氣體組成，位于外太陽(yáng)系質(zhì)量大，離恒星近十分奇怪的行星：相當(dāng)大，大于土星，有些甚至大軌道橢大多數(shù)日外行星的軌道非常橢，明顯不同于太陽(yáng)系軌道橢大多數(shù)日外行星的軌道非常橢，明顯不同于太陽(yáng)系Bigger TelescopesSince 1995, the planet searchers

14、 have been able to use bigger telescopesBigger TelescopesSince 1995, t美國(guó)宇航局的三大行星探索計(jì)劃目標(biāo)是：尋找像地球這樣的外星世界。 開普勒計(jì)劃（Kepler）：將首次系統(tǒng)地搜尋類地行星。 空間干涉測(cè)量項(xiàng)目（Space Interferometry Mission，SIM)：將尋找近距類地行星，并測(cè)量它們的質(zhì)量和軌道。 類地行星搜索者（Terrestrial Planet Finder，TPF）：探測(cè)近距類地行星，分析其化學(xué)組成以尋找生命跡象。 此外還有詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telesco

15、pe，JWST）：探索行星形成之謎。 美國(guó)宇航局的三大行星探索計(jì)劃目標(biāo)是：尋找像地球這樣的外星世界開普勒計(jì)劃 當(dāng)行星公轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)周期性地遮擋在恒星之前，使恒星的亮度變暗。開普勒項(xiàng)目將根據(jù)這一原理來(lái)搜索類地行星。開普勒預(yù)期將發(fā)現(xiàn)首個(gè)類地行星，并研究大約有多少比例的恒星擁有類地行星。開普勒空間衛(wèi)星于2009年4月發(fā)射。2011年底已經(jīng)有類地行星的報(bào)道。開普勒計(jì)劃SIM（空間干涉測(cè)量計(jì)劃） 探測(cè)方法：測(cè)量由行星的引力作用所引起的主恒星擺動(dòng)。 目標(biāo)：發(fā)現(xiàn)首個(gè)類地行星，并確定其質(zhì)量和軌道。SIM（空間干涉測(cè)量計(jì)劃） 類地行星搜索者（TPF）與達(dá)爾文計(jì)劃(Darwin)均是拍攝太陽(yáng)系以外的“地球”。 威力強(qiáng)

16、大的“太空巨眼”能屏蔽恒星的強(qiáng)光，捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。 特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)：能使星光減弱到十億分之一。 光譜研究將揭示行星大氣中諸如二氧化碳、水蒸氣、臭氧和甲烷等氣體的相對(duì)含量，由此來(lái)衡量行星的可居住性。 類地行星搜索者（TPF）與達(dá)爾文計(jì)劃(Darwin)均是拍地外生命與文明的探索太陽(yáng)系中的生命探索人類的家園地球地球上的生命來(lái)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

17、？地外生命與文明的探索太陽(yáng)系中的生命探索搜尋地外智慧生物（SETI）20世紀(jì)50年代，射電望遠(yuǎn)鏡分辨率（波長(zhǎng)）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(lái)自宇宙的射電信號(hào)，確認(rèn)是自然過(guò)程產(chǎn)生的信號(hào)還是經(jīng)過(guò)智慧生物加工過(guò)的信號(hào)。結(jié)果除了取得信號(hào)處理技術(shù)成就外，一無(wú)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)）搜尋地外智慧生物（SETI）20世紀(jì)50年代，射電望遠(yuǎn)鏡分辨與外星人的通訊頻率能穿過(guò)地球和外星文明所在星球的大氣層，且避開宇宙背景的無(wú)線電輻射的干擾1400兆赫茲頻率附近

18、，宇宙背景噪音很小中性氫(H)的21厘米譜線和氫氧基(OH)的18厘米譜線 “水洞”搜尋地外文明的奧茲馬計(jì)劃，始于1960年NRAO 25米射電望遠(yuǎn)鏡21厘米：波江座星和鯨魚座星兩臺(tái)更大口徑射電望遠(yuǎn)鏡在21厘米：660顆類太陽(yáng)恒星美國(guó)“高分辨率微波巡視”計(jì)劃：阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡，100光年以內(nèi)的約1000顆類太陽(yáng)恒星1971年NASA提出“賽克洛普斯”計(jì)劃：1026面百米級(jí)直徑的天線陣列，分布在幾十千米范圍與外星人的通訊頻率能穿過(guò)地球和外星文明所在星球的大氣層，且避1972-1973年“先驅(qū)者”10和11號(hào)攜帶的向宇宙人致意的信件1972-1973年“先驅(qū)者”10和11號(hào)攜帶的向宇宙人致意1974年用阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡向武仙座M13球狀星團(tuán)（距離2.4光年）智慧生物發(fā)射電報(bào)1974年用阿雷西博305米射電望遠(yuǎn)鏡向武仙座M13球狀星團(tuán)1977年“旅行者”1和2號(hào)攜帶的“地球之音”唱片1977年“旅行者”1和2號(hào)攜帶的“地球之音”唱片地外生命