清华大学天文学导论-14系外行星

1、天文学导论天文学导论第第6讲讲系外行星系外行星Exoplanets (planets around other stars)（与地外生命）本讲内容本讲内容1. 引言：系外行星存在的证据2. 方法：探测系外行星的5大技术3. 历史：不该有行星的脉冲星4. 特征：系外行星与太阳系大不同5. 方向：寻找类地行星的宏伟计划6. 目的：搜寻地外生命与智慧生命1。引言：系外行星存在的证据 哥白尼普遍性原则：我们所处的宇宙小小角落只不过是宇宙浩瀚星海中的“普通”一员，没有任何理由认为我们的太阳系是宇宙中的特殊存在 我们居住的这颗“普通行星”围绕着一颗“普通恒星”运转，这颗“普通恒星”处于一个“普通星系”中的

2、一个“普通区域”，而这个“普通星系”也处于宇宙中的一个“普通区域” 问题所在问题所在这颗行星很这颗行星很暗弱暗弱它的母恒星使它它的母恒星使它几乎不可见几乎不可见 为什么不用最好的望远镜去看一看邻近的恒星有没有行星? 有没有“地球”? 有没有“人”？ 问题是行星很黯淡，十分靠近它们的恒星，恒星比行星要亮109倍尘埃盘(Dust Disks)暗示行星的存在 目前最好的望远镜实际上“基本上看不到”恒星周围的行星，特别是处在地球这样位置的地球这样的行星 太阳系形成的理论：太阳系被认为是产生于一个环绕着恒星的由气体和尘埃组成的转动着的吸积盘（气体尘埃盘） 所以，如果我们的理论正确，我们应该在宇宙中别的地

3、方看到类似的盘，行星可能从中产生 尘埃盘十分常见，事实上所有新诞生的恒星都有猎户星云中正在形成行星的地方：尘埃盘轮廓猎户星云中正在形成行星的地方：尘埃盘轮廓太阳系大小热气体的光学发射线ionized oxygen (blue), hydrogen (green), and nitrogen (red)新形成恒星猎户星云中的侧对地球的原行星盘热气体的光学发射线（兰、绿、红）发射线被滤掉距离距离1500光年，直径光年，直径17倍太阳系倍太阳系 HST的日冕观测仪观测到年轻恒星周围的尘埃环或盘（即使大部分原行星盘消失以后），它们差不多位于太阳系行星所在位置的外围 奇怪的是，一些尘埃环或盘的中央好像有

4、空隙，难道这些地方已经形成行星？“越小越亮” 为什么在看不到行星时却能观测到尘埃颗粒呢？ 因为尘埃颗粒的合成光十分强！ 给定质量M 一个行星 r1000km， 许多尘埃 r1微米 尘埃反射星光的总亮度是一个行星的1012 倍 每块岩石的（反射）亮度正比于r2，岩石的数目反比于r3 颗粒越小，则它们所反射的总的恒星光越多 尘埃盘地面望远镜图像HST图像著名的绘架座著名的绘架座星的尘埃盘侧对着地球星的尘埃盘侧对着地球 仔细观测会发现尘埃盘是弯曲的，在上下摆动，可能是一个大质量行星的引力作用使尘埃盘扭曲绘架座绘架座 b：一颗巨行星：一颗巨行星绘架座绘架座的尘埃盘与巨行星的尘埃盘与巨行星绘架座绘架座-

5、b的公转的公转20032009首次证实最年轻的行星：绘架座首次证实最年轻的行星：绘架座-b年龄：几百万年尘埃盘普遍存在尘埃盘普遍存在 实质上每一个新生的恒星周围都有一个尘埃盘 如果相信尘埃盘和行星同时形成，这就是说每一颗恒星周围实质上都有行星 尘埃盘的观测为行星在宇宙中无处不在提供了重要的线索 但是也许形成尘埃盘时并未产生行星，而且即使行星形成，我们也不清楚它们是什么 这些证据是间接的，对这些“虚幻的行星”有没有更好的证据？2。方法探测系外行星的5大技术系外行星探测技术1：直接成像法 通过天文望远镜进行观测时，由于恒星过于明亮而无法发现行星。 在遮挡恒星光的情况下进行观测就可以分辨出行星。 在

6、天文望远镜上加装日冕仪，降低恒星亮度，直接拍摄行星。HR 8799 (Keck)北落师门（HST）北落师门b（Fomalhaut b）：年轻的行星 北落师门：1等亮星，距离25光年，年龄1-3亿年 偏心的椭圆尘埃残骸盘（柯伊伯带） 25等行星 共同的自行 围绕北落师门公转周期870年 距北落师门199AU海王星到太阳距离的4倍 质量 3倍木星HST，日冕仪，600nmHR 8799bcd：放大版的太阳系 HR 8799：飞马座6等星，距离130光年，年龄约6000万年 dcb分别在24、38和68个天文单位处绕恒星转动，周期100、190和460年，质量分别为木星的10、10和7倍 同一轨道平

7、面内逆时针旋转（垂直视线）6个直接成像系外行星与太阳系的比较系外行星探测技术2：天体测量学法 原理：双星系统围绕它们的共同质心转动M1 M2 V1 V2 D Centre of Mass R1 R2 恒星的反射（Reflex Motion）运动或称摆动 恒星和它的行星环绕它们的共同质心转动。如果质量相等，则转动中心在两者中间；实际上，恒星质量远大于行星，所以转动中心更靠近恒星（甚至在其内部） 当行星转动时，恒星沿较小的轨道转动，但两者的轨道周期相等 恒星轨道的大小取决于行星的质量和两者之间的距离： 大质量行星（如木星）使恒星的运动显著 行星越靠近恒星，则恒星的摆动越大（周期越小） 所以，原则上

8、即使看不到行星，我们也能从恒星的运动得知行星（伴星）的存在天体测量学 Astrometry 天体测量学：高精度测量恒星在天球上的位置移动 测量恒星的微小摆动非常困难，已有几十年的历史行星对其母恒星的运动轨迹所造成的干扰怎样做怎样做? 如果观测到一个恒星在做某种轨道（反射）运动，我们可以确定 恒星运动的轨道周期 恒星运动的轨道速度 由此可以确定引起恒星做反射运动的天体（行星或褐矮星）的质量和其到恒星的距离“外星人外星人”看我们太阳的摆动看我们太阳的摆动从32.6光年处所看到的由木星的引力所造成的太阳的位置移动系外行星探测技术3：视向速度法恒星的视向速度（随时间变化的）曲线多普勒效应发挥威力 视向

9、速度测量 radial velocity measurements：应用多普勒效应高精度测量恒星靠近或远离我们的速度（即恒星的视向运动） 由多普勒效应得到恒星的反射运动的精度远远高于天体测量方法 （早期）绝大部分系外行星由此方法间接发现系外行星探测技术4：凌星法 当行星运行到恒星前面时，会遮挡很小当行星运行到恒星前面时，会遮挡很小一部分恒星光，而使得恒星周期性地变一部分恒星光，而使得恒星周期性地变暗暗事实上并未事实上并未看到行星看到行星HD 209458 被行星凌星（第一个）被行星凌星（第一个） 恒星亮度仅下降恒星亮度仅下降1.5%！（！（1999年年11月）月）凌星开始凌星开始目前COROT

10、精度高达万分之几！儒略日儒略日 由恒星亮度的变化可推算出行星的大小，进而可估算行星的密度（推测物态、成分等） 由于凌星，对此行星的了解要多于其它系外行星。它的体积比木星稍大，但是质量更小，说明其密度很低，甚至低于土星（太阳系密度最低的行星）系外行星探测技术5：微引力透镜法 当一颗恒星及其行星从远处背景恒星前经过时，引力透镜效应增强背景恒星的亮度，从而能够显示恒星及其行星的存在 b背景恒星系外行星探测技术6：时间测量法3。系外行星早期探测的曲折历程 早期的系外行星探测利用天体测量学技术 1969年，范德坎普van de Kamp 声称探测到了一个很近的矮星的周期摆动： 由两个木星质量大小的行星引

11、起，一个轨道周期为12年，另一个26年 人们质疑：如何仅用10年数据得到12年或26年的摆动周期？并且也没得到进一步确认 此结果虽广为流传，但是相信它的人越来越少 1983年，Harrington 等声称发现恒星VB8更大的摆动。这一次引起摆动的行星质量必须很大,估计为木星的50倍 两年后，McCarthy 声称真正观测到了这颗行星：利用斑点干涉测量法（speckle interferometry）过滤掉明亮的恒星光 许多人企图重复他们的结果，都未成功 “是不是外星人意识到地球人在注视他们而隐藏起来了？” 结果是，寻找系外行星在天文界变得臭名昭著脉冲星行星 1991年，利用周期性的反射运动原理

12、成功发现了第一颗系外行星 但仍有一个障碍：这个行星位于一个不应该有行星的一个脉冲星（中子星）旁 大质量恒星爆炸（超新星爆发）后形成中子星。任何恒星原有的行星会被超新星的冲击波蒸发掉或被抛到星际空间。因此，中子星应该是“绝对”不会有行星的脉冲星是倾斜的自转磁中子星脉冲星应该不会有行星系外行星探测技术6：时间测量法 1991年，两个脉冲星研究小组报道了不可能的脉冲星行星 行星引力使得脉冲星做周期性的轨道运动, 从而周期性地改变脉冲的到达时间 英国小组发现脉冲星 PSR1829-10 的脉冲到达时间在周期性改变，但行星是由于程序错误生成的 美国小组发现脉冲星 PSR B1257+12 的脉冲信号也存

13、在周期性的提前和推迟到来 两个周期 两个行星 现在相信PSR B1257+12系统有至少3个行星：一个质量小于地球，另两个质量是地球的3-5倍正常恒星有行星？ 脉冲星有行星。不该有，但的确有。即便有，也是奇怪的，原因？ 显然，这并不令地球人满意：我们真正关心的是类太阳恒星是否有行星： 类太阳恒星的行星可能是舒适的，可能有像地球那样的环境，并由此可知我们的太阳系是不是独特的正常恒星有行星？ 如果恒星有行星绕转，恒星则会前后摆动 ，因此恒星的辐射波长会周期性地变大和变小 但是，波长变化很小，木星对太阳的影响为大约10米/秒，对其它行星则更小 当时世界上最好望远镜的多普勒测量精度大约是100米/秒（

14、光谱分辨率） 相对地，脉冲星的脉冲到达时间的周期性提前和延迟更容易捕捉（时间分辨率）艰苦而迟缓的观测工作 大多数人放弃了多普勒效应这种技术，因为要求的精度比大多数人所能得到的精度要高1000倍之多！ 但仍有少数不被天文界注意的小组孜孜不倦数十多年来提高这种技术的精度，降低测量误差 补偿望远镜温度变化所产生的误差 模拟并改正大气条件变化（最困难，自适应性光学） 逐步改进仪器和数据分析技术 到了1995年.瑞士天文学家马约尔（Mayor）和奎洛兹（Queloz）令世人惊骇地宣布多普勒效应成就了地球人的“初级”梦想！ 几十年的辛勤工作，多普勒测量技术提高到惊人的每秒几米的精度！ 但仍然不足以找到像木

15、星这样的行星，所以它们并不奢望发现行星 他们只是希望发现环绕邻近恒星转动的矮星或褐矮星（双恒星系统） 但有一特殊恒星， 51 Pegasi (飞马座) （类似于太阳的G 型星），的确在行为奇怪地恒星的视向速度（随时间变化的）曲线第一颗系外行星真奇怪 飞马51恒星视向速度变化超过100米/秒，周期4.2天。造成速度变化大的两种可能： 一个质量大但远离恒星的矮星 一个质量小但靠近恒星的行星 如此快速的轨道运动说明这个天体不仅小而且十分靠近飞马51! 这个不可见的天体质量约为木星的一半（两倍土星，但它环绕飞马51运动的距离仅有 0.05 AU：比水星到太阳的距离还要近8倍左右！Hot Jupiter

16、s 热木星热木星? 即便真实，它一点不像太阳系中的行星！ 质量为木星一半的行星应该是一个气态巨行星。 但它十分靠近恒星，相当于在恒星表面掠过，它到底在干什么？依然怀疑主导 激动人心！第一颗系外星系找到了 毋容置疑，除了媒体没有人真正相信 Mayor and Queloz 的结果 已多次知道寻找系外行星是痴心妄想；数据如同垃圾 这类行星（大质量木星比水星还要靠近恒星）没有什么意义。我们认为我们理解了行星是如何形成的，因此这类行星“没有”权利存在 但是接着来自旧金山一个没有名气大学的两个来自旧金山一个没有名气大学的两个没有名气的天文学家没有名气的天文学家 Geoff Marcy （马西）和（马西）

17、和 Paul Butler 也庄严地也庄严地 宣布宣布确认第一颗系外行星的身份 多年来Paul Butler and Geoff Marcy也在提高多普勒效应测量的精度 对环绕G型恒星的矮星多年巡天，得到大量数据，但没有分析，因为他们的精度和Mayor and Queloz的类似，精度太差不会发现木星之类的天体。所以不奢望发现行星 当耳闻Mayor and Queloz的结果后，他们开始分析自己的数据。碰巧他们也观测了51 Peg, 并发现该恒星的摆动与Mayor and Queloz发现的完全一致 两个小组能够发现如此小的摆动是因为这颗行星太靠近恒星了。假如把它放得远一点，例如木星的位置（5

18、 AU），则恒星摆动会变得小得观测不到！ 发现一些恒星的摆动复杂，表明存在多个行星系外行星系 Multiple Planet Systems多周期的视向速度曲线 复杂的模式显示出至少3个行星的证据：4.6天，0.5年和3年的周期4。系外行星的统计特征： “与太阳系大不同” 质量大，距恒星近热木星2001 List of Planets, found using the Doppler technique.Mercurys OrbitVenus OrbitEarths Orbit质量大，离恒星近 十分奇怪的系外行星：相当大，大于土星，有些甚至大于木星（太阳系老大也相形见绌！） 这些大质量行星非常

19、靠近它们的恒星！但在太阳系，大质量行星由气体组成，位于外太阳系Earth Jupiter Our Solar System Hot Jupiter Systems ? ? ? ? 轨道椭 大多数系外行星的轨道非常椭，明显不同于太阳系Us Them CoRoT-7b：第一颗系外岩质行星欧空局 ESA: 2006年12月27日发射，寻找围绕其它恒星公转的可居住的类地行星2009/02/03 CoRoT探测到质量最小的系外行星直径为地球的1.7倍（凌星法）质量为地球的5倍（视向速度）密度为5.6（地球密度5.52）绝非气态巨行星，地球距离恒星为水星距太阳距离的1/23，公转周期20小时白天温度200

20、0度，夜间-200度恶劣条件，任何生命无法承受，地狱“超级地球” 系外行星中大多为气态巨行星 超级地球：体积介于海王星和地球之间，质量为地球的5-10倍 是否为岩质 “10多”颗候选者 对质量与地球相近的系外行星进行观测水，而且是液态水 全新挑战：正是对于外星生命的探寻 液态水是生命诞生的第一要素？ 发现位于可居住区域、适合生命存在的岩质行星，距离其恒星不远也不近而存在液态的水可居住区域可居住区域 Habitable Zones可居住区域可居住区域 Habitable Zones2009年3月6日发射成功口径0.95米，监测星光变化（凌星），对（银河系）固定天区（15万颗恒星）连续监测3-4年

21、 预计发现数百颗地球大小或更小的行星（特别是类似地球轨道上的行星）估计类太阳恒星有多大的比例拥有类地行星前沿专题详见环球科学2011年第4期第51页NASA宣布开普勒观测到715颗太阳系外新行星 已有961（1700）个开普勒望远镜观测对象被证实为行星。这些行星的大小大部分都介于地球和海王星之间（超级地球）。Kepler-186行星系：宜居带中地球大小行星Kepler-186行星系：宜居带中地球大小行星我们呼唤：地球2.0，您在哪里？如何探测到生命的存在呢？ 10枚探索太阳系的探测器回望蓝色的地球 地球光谱的“缺失” 地球大气层的构成 显示生命存在的“生物标志物” 对生命进行远程探测有可能实现

22、的第一项证据 生命特征本身是无法远距离探测的，但大气层因为生命活动而发生的变化可以从远距离探测 惟一能明确证明生命存在的生物标志物：氧、二氧化碳和水蒸气的组合（光合作用） 先以气态巨行星为目标：水、甲烷、二氧化碳Exomoons 已探测到地球大小的系外行星 探测技术已进入类地行星领域 系外月球/卫星是否可探测？ 可居性的？ 影响其行星的可居性？（月球-地球） 地球在宇宙中的地位？5。目标：未来30年找到“异域生命”？Space Interferometry Mission (SIM) NASA are building a spacecraft called SIM (the Space In

23、terferometer Mission) to look for the wobbling motions of stars with enough accuracy that someone might even believe the results. SIM is scheduled for launch in 2009. Together with ground-based telescopes, it should find every Jupiter Mass planet within about 100 light years, by means of their refle

24、x motions.达尔文计划（达尔文计划（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 chemical signature of life. 概念概念Terrestrial Planet Finder is a mission concept currently under study by

25、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 as abodes for life. 30亿美元的太空计划：三选一 干涉测量法计划：寻找生命分子（达尔文+TPF） 简单日冕观测法计划：发现行星表面大陆 配备外置式遮光装置的日冕观测法计划：发现植物低成本搜

26、寻系外行星低成本搜寻系外行星 M型矮星凌星巡天（200万美元） 近红外光谱仪（500万美元） 激光频率梳（10万美元） 视向速度天文台（5000万美元） 系外行星卫星（每个25万美元）2017 NASA：Transiting Exoplanet Survey Satellite（TESS 苔丝）苔丝）2024: 欧洲将发射“柏拉图”望远镜：搜寻第二地球 柏拉图望远镜的设计目标是搜寻近距离上围绕类太阳运行的系外行星6。地外生命与文明的探索。地外生命与文明的探索 太阳系中的生命探索 人类的家园地球 地球上的生命来自陨石或彗星？ 火星：最热闹的搜寻目标 土卫六泰坦（Titan）：类似地球的大气 木卫

27、二欧罗巴（Europa）：地貌，可能的地下海洋 土卫二（Enceladus）：可能的地下海洋 金星：可能曾经拥有海洋 在寻找外星生命时，是否应该超越以地球生命为依据而形成的对生命形态的思维定式？搜寻地外智慧生物（搜寻地外智慧生物（SETI） 20世纪50年代，射电望远镜分辨率（波长）的提高，导致对外星智慧和文明的幻想和寻找 搜寻地外智慧生物 SETI（Search for extraterrestrial intelligence）： 分析来自宇宙的射电信号，确认是自然过程产生的信号还是经过智慧生物加工过的信号。结果除了取得信号处理技术成就外，一无所获，但发现和理解了宇宙射电信号的性质（类星体的发现）与外星人的通讯频率与外星人的通讯频率 能穿过地球和外星文明所在星球的大气层，且避开宇宙背景的无线电辐射的干扰 1400兆赫兹频率附近，宇宙背景噪音很小 中性氢(H)的21厘米谱线和氢氧基(OH)的18厘米谱线 “水洞” 搜寻地外文明的奥兹马计划，始于1960年 NRAO 25米射电望远镜21厘米：波江座星和鲸鱼座星 两台更大口径射电望远镜在21厘米：660颗类太阳恒星 美国“高分辨率微波巡视”计划：阿雷西博305米射电望远镜，100光年以内的约1000颗类太阳