点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:众里寻它千百度——系外行星探测方法简介
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

众里寻它千百度——系外行星探测方法简介

来源:光明网2021-12-02 14:02

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  近年来系外行星探测研究成果颇丰,在《终结地球孤独时代》系列文章中李海宁老师已为大家介绍了三种系外行星探测的主要方法。1995年,瑞士天文学家梅耶(Michel Mayor)等人利用视向速度法监测一颗“摆动”的恒星,发现了第一颗围绕类太阳恒星公转的系外行星-飞马座51b(参见:终结地球孤独时代 | 炽热的木星和摆动的太阳),这项发现在2019年荣膺诺贝尔物理学奖。视向速度法在系外行星探测研究中应用非常广泛,通过这种方法目前已经发现899颗系外行星(截止2021年11月26日) [1]。随着天文望远镜观测精度的提高,目前寻找系外行星效率最高的凌星法异军突起(参见:终结地球孤独时代 | 行星捕手开普勒),已经发现了3444颗系外行星(截止2021年11月26日)[1]。除了以上两种间接探测方法外,随着天文观测技术的发展,成像技术的“黑科技”也逐渐应用在系外行星探测当中。大口径望远镜提高了暗弱目标的探测能力,让直接观测系外行星成为可能(参见:终结地球孤独时代 | 技术革新脑洞大开)。目前利用大口径望远镜直接观测发现的系外行星共有54颗(截止2021年11月26日)。[1]

  不同的探测方法针对不同大小及与主星不同相对位置的系外行星各具优势,也各有局限。例如凌星法只能发现主星周围轨道存在掩食现象的行星,这些行星轨道倾角(公转轨道法线倾角)较大,容易形成选择效应。想要寻找不存在周期性掩食的系外行星,就需要根据它们的特点采用合适的探测方法。下面我们来介绍其他几种颇具特色的系外行星探测方法,它们发现行星数量虽然不多,但各怀绝技。

  作为天文学发展最早的分支,天体测量学也很早就应用于系外行星的探测,通过监测系外行星引力作用造成主星的位置变化来寻找它们的存在。天体测量法不受限于行星的轨道倾角与轨道半径,虽然探测效率较低,但可以用来寻找距离主星较远的系外行星,并精确测定这些长周期系外行星的轨道参数与质量。目前正在运行的盖亚卫星(Gaia mission)已经释放了大量高位置精度观测数据,我们有机会从中发现更多长周期的类木行星和类太阳系行星系统[2]

众里寻它千百度——系外行星探测方法简介

图1. 左图:天体测量法示意图,右图:盖亚卫星(图源:ESA/ATG medialab)

  前面我们提到了飞马座51b这颗具有里程碑意义的系外行星,但它却不是人类发现的第一颗系外行星。1992年,波兰天文学家沃尔兹森(Aleksander Wolszczan)利用阿雷西博射电望远镜(Arecibo radio telescope)监测脉冲星PSR1257+12后发现,这颗脉冲星也存在周期性的“摇摆”,后续的观测证明了这颗脉冲星的周围有三颗行星,其中质量最小的一颗仅为0.02倍地球质量,在当时引起了轰动)[3]。这种监测行星造成系统内其他天体的轨道周期、脉动周期,或者相对位置等物理特征周期性变化的方法叫做计时法,它同样可以发现行星系统中其他未知的行星。在无垠宇宙中,像我们太阳这样单独的恒星并不是大多数,很多恒星都像《三体》中描绘的一样,是以双星或多星形式存在的,而双星周围也可能存在行星,但这类行星的轨道正如三体问题一样复杂多变,难以探测。我们同样可以利用计时法,探测行星对双星绕转周期的影响,发现它们的踪迹。

众里寻它千百度——系外行星探测方法简介

图2. 第一颗系外行星PSR1257+12 b, c, d被发现后的新闻报导(图源:网络)

众里寻它千百度——系外行星探测方法简介

图3. PSR1257+12 b, c, d三颗行星艺术图(图源:NASA/JPL-Caltech)

  在距离主星较远的位置,也可能存在一类“流浪”行星,它们引起主星视向速度的变化微乎其微,从地球角度来看,也难以观测到掩食。但我们依然可以通过“碰运气”的微引力透镜法去寻找它们的身影。根据广义相对论,大质量物体会造成附近时空的弯曲。行星虽没有恒星或星系那样巨大的质量,但也能引起周围小尺度时空的弯曲。流浪行星在宇宙中“漂泊”,当它恰好从观测者和远处的一颗恒星之间经过时,由于这颗系外行星引起的微引力透镜效应,观测者会发现这颗恒星的光随着系外行星的经过而呈现短暂变亮过[4]。当地球上的望远镜观测这颗恒星时恰好捕捉到被微引力透镜偏折的星光,会发现目标星变亮。由于流浪行星的位置会不断改变,因此增亮的过程一般不会重复出现,是一项具有挑战的任务。目前通过微引力透镜法发现的系外行星共120颗(截止2021年11月26日)[1]。

众里寻它千百度——系外行星探测方法简介

图4. 行星与主星形成微引力透镜的几种情况:(a)前景恒星(红)从遥远的背景恒星(黄)与观测者之间经过时,前景恒星偏折背景恒星的星光,观测者可以看到背景恒星变亮;(b)前景恒星周围存在距离较近的行星(棕)时,除了看到前景恒星引起的背景恒星增亮外,还可能看到行星引起的引力透镜效应产生的另一个“突起”;(c)前景恒星周围的行星距离较远时,二者引起的背景恒星增亮很可能不会同时出现(出现的时间可能相差数年),可能只看到其中一种,而前景恒星和行星引起的背景恒星增亮都能被观测到的情况较为罕见(d)独立的流浪行星也可能会造成背景恒星小幅度增亮[5]

  随着人类探测技术的发展,不断有新的系外行星的探测方法、更高精度的探测设备和设计更加巧妙的探测计划涌现。科学家们正借助这些方法和设备发现更多的系外行星及候选体,多个探测计划也聚焦于系外行星自身及其大气性质的精细探测和研究,人类离发现下一个宜居家园又近了一步。更多精彩内容,请继续关注观天者说!

  参考文献:

  1. Gaia Collaboration. et. al., A&A, 2016, 595, A1.

  2. https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/

  3. Wolszczan, A., Frail, D. A. Nature, 1992, 355, 145

  4. Mao, S., Paczynski, B., ApJL, 1991, 374, L37

  5. Wambsganss, J., Nature, 2011, 473, 289.

  主创简介:王佳琪,中国科学院国家天文台在读博士生,主要从事太阳系外行星观测与研究。

  文稿撰写:王佳琪

  文稿编辑:蔡琳

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 国家图书馆:周末来读书

  • 西安铁路工业遗存变身市民乐园

独家策划

推荐阅读
成都大熊猫繁育研究基地科普团队成立于2000年,旨在面向公众传播以大熊猫为代表的生物多样性保护理念。
2025-02-14 10:26
食品添加剂是指为改善食品品质和色、香、味,以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成或者天然物质。
2025-02-14 10:24
《自然》杂志13日报道我国发现迄今唯一确切的侏罗纪鸟类——政和八闽鸟。
2025-02-14 10:23
在当前的极寒天气下,机器狗更灵活、可携带更多仪器,巡检质效显著提高,让赛事电力保供更安心。
2025-02-14 10:22
国家税务总局发布的最新数据显示,2024年,现行支持科技创新和制造业发展的主要政策减税降费及退税达26293亿元,助力我国新质生产力加速培育、制造业高质量发展。
2025-02-14 10:11
独脚金是寄生在高粱上的一种植物,能导致高粱减产甚至死亡。近日,我国科学家首次从高粱中发现两个关键基因,敲除后,高粱对独脚金的抗性显著提高。
2025-02-14 10:04
基于AI大模型及领域数据资源,构建基于PC端和手机端应用的科特派数字人“小科”,为用户提供随时在线、多终端访问、7×24小时全天候资源对接,全方位服务于北京城市科技创新与管理。
2025-02-13 09:36
新时代以来,我国以更高站位、更宽视野、更大力度来谋划和推进新征程生态环境保护工作,全力推动生态环境根本好转。
2025-02-13 03:40
新年伊始,DeepSeek成为“热词”,其在各领域的应用也引发思考和讨论。在科研领域,人工智能驱动科学研究的新科研范式随之到来,对构建开放创新生态提出了更急迫的要求。
2025-02-13 03:50
从个性化的珠宝饰品到复杂的航空零部件,3D打印展现出了巨大的创造力和应用潜力。然而,科技的探索永无止境,一种比3D打印更具突破性的技术——4D打印,正悄然兴起。
2025-02-13 03:50
当前,我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,对生态环境的要求也越来越高。良好的生态环境不仅是自然财富、生态财富,更是经济财富、社会财富。
2025-02-13 03:40
中国人工智能发展与安全研究网络主办,上海期智研究院、清华大学人工智能国际治理研究院承办
2025-02-12 19:16
2025年,空天院合成孔径雷达科研团队将继续研制8颗“女娲星座”合成孔径雷达卫星,届时“女娲星座”20颗在轨雷达卫星将实现全球组网运行,对地观测能力将大幅提升。
2025-02-12 10:07
这并不是一辆普通的复古电车,而是一部使用了16K全息数字技术、AI技术与四轴动感震动系统的数字电车。
2025-02-12 10:06
科学家们发现,水波涉及复杂的流体力学效应,能够构造丰富的拓扑矢量场用于粒子的操控。
2025-02-12 09:59
通过打造与自然和谐共生的生态经济圈,让生态保护和可持续发展得以兼顾,天目山保护区的实践,吸引了越来越多的关注,也为全球生物多样性保护提供了可借鉴的路径。
2025-02-12 09:57
春节期间,全国科技馆以“科技温暖中国年”为主题,为公众献上一系列融知识性、趣味性和人文关怀于一体的科普惠民活动。
2025-02-12 09:53
2月6日晚,“共和国勋章”获得者、我国第一代核潜艇工程总设计师黄旭华院士因病在武汉逝世,享年99岁。
2025-02-11 14:55
气动外形优化是航空设计中的核心技术,可以提升燃油效率、降低阻力,提高飞行器性能。该几何引擎无需庞大的数据集或繁琐的超参数调整,大幅降低了开展气动优化的复杂度和成本。
2025-02-11 09:43
最近,原子能院自主研发的两步法650毫米直径冷坩埚玻璃固化工程样机,完成90天连续运行试验,收获约52吨玻璃固化体,高放射性废物(以下简称“高放废物”)可被“封印”其中。
2025-02-11 09:43
加载更多