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你想成为发现外太空行星的人吗?  

2014-05-05 09:52:45|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/scilogs/2014/0425/24334.html

随着地球人口数量的与日俱增,人类是该找个其他星球做栖息地了。然而,这一路寻找过来,适宜人类生存的星球寥寥无几。本文介绍了一些寻找外太空行星的方法,也许你就可以借此成功寻得一枚地球二号,救未来世界于当下。

  

开普勒太空望远镜的系外行星记录(未全部显示一百年里其他年份的记录情况)
(图片来源:美国航空航天局(NASA) 艾姆斯研究中心(Ames)/SETI计划/杰·罗维)
 

在2月的最后一周,美国航空航天局的开普勒计划(Kepler mission,寻找外星人计划)发布了一份最近“确定”的系外行星名单。这一次,共有715颗系外行星被正式纳入开普勒行星探测名单,而此前的最高记录只有246颗。你也许会感到困惑,因为这些数字跟你之前从天文学家嘴里听到的1,000或是3,600等数字有很大出入,但这是因为这种探测本身就存在不确定性。

 

总之,目前开普勒数据的分析提供的行星候选名单中包含了约3,600颗行星。但这些候选行星仅仅是遥远恒星亮光中的周期性闪烁,它们还需要达到某些标准,才能证明那里有行星存在。行星会定期进入恒星照耀区域,行星凌日或反射星光都会引起恒星星光的变化,但噪音、恒星闪烁和伴星的出现也会引发相似的现象。

 

这些行星需要确凿的证据才能证明其存在。此前的证据大多来自对主星星光的多普勒频移的测量。多普勒频移产生的原因是恒星的公共质心(即其它行星环绕的中心)的摇摆运动,在天文观测中并不容易测量。最近公布的开普勒行星采用了不同的观测方法,开创了系外行星探测的新局面。值得注意的是,最近公布的已确定的715颗行星只存在于305颗恒星系统中,这说明每一颗候选行星至少伴有一颗过境行星。

 

这些凌日信号需要通过统计、概率还有分析,以排除其产生的其他可能性,比如双恒星系统或普通噪音。如果你看见一颗过境行星,那么你看见它的邻居的概率也会增加。这就好比你看见周围花坛有个小东西在飞动,你可以认为它是蝴蝶;但如果你看见两只或是更多,也许你就会理直气壮地说那就是蝴蝶。

 

选用不同的方法来测定系外行星是很明智的决定,仅开普勒太空望远镜就已经发现了数百颗行星。但是我们究竟都有些哪些技术呢?这门科学发展十分迅速,你很难跟上一个外太空星系管理者的脚步。下面是一份主要行星探测技术的高度简化表(排名不分先后):

 

o  多普勒效应(又称视向速度法):此方法需要精细的高精度监控装置来监测遥远恒星的数千种光谱特征。通过用光谱仪记录光的移动,其达到的最佳水平相当于天文数码相机像素里的数十个硅原子直径。真了不起!

 

o  凌日法:这是开普勒太空望远镜和地球上众多望远镜一直在使用的方法,也许开普勒仍然在有限范围内使用它。如果一颗行星的运行轨迹恰好经过地球和它的母恒星之间,并阻挡了细微的恒星光(大多数情况下远不足1%),那么这束光会在过境曲线(光随时间变化的曲线)里产生一种特征形态。如果它出现了周期性的反复,那么你就能进一步证实它是一颗行星。

 

o  凌日时间变化:行星似乎不会在每个公转周期的同一时间产生凌日现象,这是为什么?因为其他看不见的行星在拉它,没错!你不仅能够据此推测其他行星的存在,如果这些行星的轨道十分接近,你还能根据位置推断出那里所有行星的质量。如果你的行星恰巧处在一个双星系统,那么根据星蚀的时间变化来监测行星也是可行的。

 

o  引力透镜:当一颗恒星和它的行星位于地球和一颗更远的恒星之间时会发生什么?质量会扭曲空间,因此”横在中间的恒星和行星就会变成一个透镜,暂时放大了遥远背景恒星的星光。这种放大效果能持续数小时到数天,从而揭示这些行星的质量以及其运行轨道。发现和分析这类现象都并非易事,但回报丰厚。它有助于发现大型轨道上的行星,甚至是抛弃了原母恒星的行星。

 

o  相位曲线/亮度调节:你正用一台灵敏的望远镜观察一颗恒星,却发现星光出现了奇怪的反复变化,这是什么情况?其实是它的同伴:一颗行星反射了恒星的星光,和恒星发出的光相融合。在这种情况下,行星并没用挡住恒星,相反,你看见的行星从新月形变成圆盘形,如此循环往复,这种光线变化都与恒星光融合在了一起。

 

o  脉冲星计时法:如果要为仅有22年历史的行星探测技术确定一个鼻祖的话,那就是脉冲星计时法。1992年,通过研究一颗距我们一千光年之外的自转中子星电脉冲的反复变化,科学家科学家首次证实太阳系之外存在行星大小的天体。通常情况下,一颗中子星自转的规律性可以媲美原子钟,但这颗却不是这样。有三颗行星大小的天体在它附近运行,这影响了它的自转。

 

o  天体测量:这种方法类似多普勒效应观测。行星会影响其恒星轨道运行点,使恒星偏移自身中心(质心或系统平衡点)。如果你能精确测量出恒星的位置(最好到达微弧秒),你就能看到拥有行星的恒星其实是在一条微小的圆形轨道上移动。欧洲航天局(ESA)的新“盖亚”号任务将结合其他科学技术,观测大约一千个系外恒星主系统。

 

o  直接影像:这种方法非常奢华,它的设备堪称天文学中的圣杯,能够在一个影像里直接反映从行星发射和反射的光。这种观测方式面临的首要问题是恒星十分耀眼,而行星微小而昏暗,且行星离母恒星十分的近。其次是光的特性,它能产生衍射,即使是最好的太空望远镜也看不清楚恒星光,更不能在混沌里发现光芒微弱的行星。这两个问题如何解决?答案是阻挡或压制恒星光。你可以用日冕仪做到这一点,这种方法去年取得了惊人的成功。你也可以将恒星光“归零”,即使用光学仪器破坏性地干扰恒星光以致其消失,但不影响行星反射的光。一种可能、可行、可靠的方法是在太空给日冕仪创造条件——建造一艘隐光的宇宙飞船,把它发射到距离太空望远镜千米之外的地方,然后利用它去阻挡恒星光,恒星阴影有助于行星自身光芒的显露。不过,你能出10亿美元吗?

 

 

作者简介:凯莱布·沙夫(Caleb Scharf)是哥伦比亚大学多学科天体生物学中心主任。他曾在观测宇宙学,X射线天文学,以及最近的系外行星科学领域工作。他的最新著作是《万有引力之引擎:不断膨胀的黑洞如何统治宇宙中的星系,星群和生命》(Gravity's Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars,and Life in the Cosmos),还有他正在著作《哥白尼情结》(The CopernicusComplex)(均由科学美国人/法勒,斯特劳斯和吉罗出版社(Farrar,Straus and Giroux)出版。)你可以在推特上关注他@caleb_scharf。

 

(翻译:沐凡  审校:戚译引)

 

原文链接[科学美国人博客]:

http://blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/2014/02/27/so-you-want-to-be-an-exozookeeper/

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