基礎(chǔ)天文學-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10萬光年，其中分布著大約2000億顆恒星。 物理學定律：宇宙各處均相同。 引力、電場和磁場、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該也不是唯一的！ 銀河系直徑大約10萬光年，其中分布著大約200生物學定律：是否也是放之宇宙而皆準？ 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)中某一個細小分支而已，還存在著數(shù)以百萬的其他生命形式。生物學定律：是否也是放之宇宙而皆

2、準？ 水是 目前在整個宇宙中，我們只了解地球上的生物學。我們還需要找到更多的樣本或在太陽系中，或在更遠的宇宙深處 在太陽系內(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系轉(zhuǎn)向銀河系 目前在整個宇宙中，我們只了解地球上的生物學。一：探測系外行星的5大技術(shù)一：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鏡進行觀測時，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行觀測就可以分辨出行星。在天文望遠鏡上加裝日冕儀，降低恒星亮度，直接拍攝行星。系外行星探測技術(shù)1：直接成像法通過天文望遠鏡進行觀測時，由于系外行星探測技術(shù)2：天體測

3、量學法原理：考慮雙星系統(tǒng)圍繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動系外行星探測技術(shù)2：天體測量學法原理：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。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)量遠大于行星，所以轉(zhuǎn)動中心更靠近恒星（甚至在其內(nèi)部）當行星旋轉(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動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。如果質(zhì)量相等，則轉(zhuǎn)動中天體測量學 Astrometry天體測量學：高精度測量恒星

4、在天球上的位置移動通常被認為是天文學中最枯燥最令人厭煩的學科：年復一年地監(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動軌跡所造成的干擾天體測量學 Astrometry天體測量學：高精度測量恒星在How can we use this?如果觀測到一個恒星在做某種軌道（反射）運動，我們可以確定恒星運動的軌道周期恒星運動的軌道速度由此可以確定引起反射運動的天體（行星）的質(zhì)量和其到做反射運動天體（恒星）的距離How can we use this?如果觀測到一個恒星在系外行星探測技術(shù)3：視向速度法系外行星探測技術(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多普勒效應發(fā)揮威力視向速度測量 radial velocity measurements：應用多普勒效應高精度測量恒星靠近或遠離我們的速度（即恒星的視向運動）由多普勒效應得到恒星的反射運動的精度遠遠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)多普勒效應發(fā)揮威力視向速度測量 radial velocit系外行星探測技術(shù)4：行星掩食法當行星運行到恒星前面時，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

6、看到行星系外行星探測技術(shù)4：行星掩食法當行星運行到恒星前面時，會遮擋系外行星探測技術(shù)5：微引力透鏡法 當一顆恒星及其行星從遠處背景恒星前經(jīng)過時，引力透鏡效應增強背景恒星的亮度，從而能夠顯示恒星及其行星的存在系外行星探測技術(shù)5：微引力透鏡法 當一顆恒星及其行星從遠OGLE-2005-BLG-390bOGLE-2005-BLG-390b二：系外行星早期探測的曲折歷程二：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技術(shù)1969年，van de Kamp 聲稱探測到了一個很近的矮星 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

7、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？并且也沒得到進一步確認此結(jié)果雖廣為流傳，但是相信它的人越來越少早期的系外行星探測利用天體測量學技術(shù)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？”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時世界上最好望遠鏡的多普勒測量精度大約是100米/秒（？）相對地，脈沖星的脈沖到達時間的周期性提前和延遲更容易捕捉多普勒效應成就了地球人的夢想！如果恒星有行星繞轉(zhuǎn)，恒星則會前艱苦而遲緩的觀測工作大多數(shù)人放棄了多普勒效應這種技術(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，降低測量誤差補償望遠鏡溫度變化所產(chǎn)生的誤差模擬并改正

9、大氣條件變化（最困難，自適應性光學）逐步改進儀器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)到了1995年.艱苦而遲緩的觀測工作大多數(shù)人放棄了多普勒效應這種技術(shù)，因為要瑞士天文學家馬約爾（Mayor）和奎洛茲（Queloz）令世人驚駭?shù)匦既鹗刻煳膶W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真正的系外行星找到了！幾十年的辛勤工

10、作，多普勒測量技術(shù)基礎(chǔ)天文學-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無論哪種情況，如此快速的軌道運動（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 運動的距離僅有 0.05 AU: 比

11、水星到太陽的距離還要近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100米/秒依然懷疑主導激動人心！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激動人心！第一顆系外星系找到了來自舊金山一個沒有名氣大學的兩個沒有名氣的天文學家 Geoff Marcy （馬西）和 Paul Butler 也莊嚴地 宣布來自舊金山一個沒有名氣大學的兩個沒

12、有名氣的天文學家 Geof確認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。假如把它放得遠一點，例如木星的位置（5 AU），則恒星擺動

13、會變得小得觀測不到！確認第一顆系外行星的身份多年來Paul Butler and三：系外行星的統(tǒng)計特征： 與太陽系大不同 質(zhì)量大，距恒星近熱木星三：系外行星的統(tǒng)計特征： 質(zhì)量大，離恒星近十分奇怪的行星：相當大，大于土星，有些甚至大于木星（太陽系老大也相形見絀?。┻@些大質(zhì)量行星非常靠近它們的恒星！但在太陽系，大質(zhì)量行星由氣體組成，位于外太陽系質(zhì)量大，離恒星近十分奇怪的行星：相當大，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，明顯不同于太陽系Bigger TelescopesSince 1995, the planet searchers

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

15、pe，JWST）：探索行星形成之謎。 美國宇航局的三大行星探索計劃目標是：尋找像地球這樣的外星世界開普勒計劃 當行星公轉(zhuǎn)時，會周期性地遮擋在恒星之前，使恒星的亮度變暗。開普勒項目將根據(jù)這一原理來搜索類地行星。開普勒預期將發(fā)現(xiàn)首個類地行星，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)有類地行星的報道。開普勒計劃SIM（空間干涉測量計劃） 探測方法：測量由行星的引力作用所引起的主恒星擺動。 目標：發(fā)現(xiàn)首個類地行星，并確定其質(zhì)量和軌道。SIM（空間干涉測量計劃） 類地行星搜索者（TPF）與達爾文計劃(Darwin)均是拍攝太陽系以外的“地球”。 威力強

16、大的“太空巨眼”能屏蔽恒星的強光，捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。 特殊的光學設(shè)計：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含量，由此來衡量行星的可居住性。 類地行星搜索者（TPF）與達爾文計劃(Darwin)均是拍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

17、？地外生命與文明的探索太陽系中的生命探索搜尋地外智慧生物（SETI）20世紀50年代，射電望遠鏡分辨率（波長）的提高，導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)）搜尋地外智慧生物（SETI）20世紀50年代，射電望遠鏡分辨與外星人的通訊頻率能穿過地球和外星文明所在星球的大氣層，且避開宇宙背景的無線電輻射的干擾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劃，始于1960年NRAO 25米射電望遠鏡21厘米：波江座星和鯨魚座星兩臺更大口徑射電望遠鏡在21厘米：660顆類太陽恒星美國“高分辨率微波巡視”計劃：阿雷西博305米射電望遠鏡，100光年以內(nèi)的約1000顆類太陽恒星1971年NASA提出“賽克洛普斯”計劃：1026面百米級直徑的天線陣列，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號攜帶的向宇宙人致意的信件1972-1973年“先驅(qū)者”10和11號攜帶的向宇宙人致意1974年用阿雷西博305米射電望遠鏡向武仙座M13球狀星團（距離2.4光年）智慧生物發(fā)射電報1974年用阿雷西博305米射電望遠鏡向武仙座M13球狀星團1977年“旅行者”1和2號攜帶的“地球之音”唱片1977年“旅行者”1和2號攜帶的“地球之音”唱片地外生命