作者:宗华 来源:中国科学报 发布时间:2016/3/9 10:19:06
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天文学家多管齐下揭示系外行星真实面貌

第一颗已知位于一颗恒星宜居带的地球大小般系外行星———开普勒186f

图片来源:NASA Ames

发现的涓涓细流已变成滔滔洪流。

在最早的行星被发现绕着其他恒星运行后的20年来,地面和太空中不断改进的仪器让这一数量飙升:目前已超过2000。这些发现包括热木星、超级地球和其他在太阳系中没有相似者的星体,并且促使天文学家从根本上反思他们关于行星系统如何形成和演化的理论。

然而,发现才刚刚开始。天文学家正积极地迈向系外行星研究的一个关键阶段:揭开这些世界的面貌。大多数寻找系外行星的技术除了揭示行星的质量、大小和轨道,能做的其他事情少之又少。然而,它是像地球那样由岩石构成,还是像木星一样的气态巨行星?它是异常的炎热,还是处于深度冻结之中?它的大气由什么构成?这种大气是否含有诸如水、甲烷、氧气等以奇特且不稳定比例存在、可能成为生命征兆的各种分子?

透射光谱技术

第一颗绕着类似于太阳的恒星运行的系外行星发现于1995年。当时,瑞士日内瓦天文台天文学家Michel Mayor和Didier Queloz在恒星“飞马座51”的转动中探测到一种定期的前后摆动。他们推断说,这是由一颗质量至少是地球150倍、差不多为木星一半的行星引发的。它每隔4天左右绕“飞马座51”运转一圈。随着寻找系外行星的热度大增,并且促使望远镜管理者为寻找行星提供更多观察时间,其他发现随之而来。

很快,长长的发现清单激发了美国哈佛—史密森天体物理学中心天文学家David Charbonneau的一个想法。他推断,当一颗行星在恒星的前面经过时,其大气中的分子会吸收一些恒星光线,并在上面留下光谱“指纹”。

Charbonneau介绍说,利用这项技术意味着要寻找恒星光谱极其微小的改变。而哈勃空间望远镜在过去和现在都是首选的仪器:它不会干扰地球大气中的气体对光线的吸收,因此光谱非常干净并且容易诠释。不过,对观察时间的竞争异常激烈,因此天文学家也开始利用地基望远镜。

这些望远镜确实得应对大气干扰,但能通过比哈勃空间望远镜收集更多光线克服这一点。这使得地基望远镜能探测到更加昏暗的星体,并且更加清晰地将单个光谱特征分开。这项努力获得了回报,因为大多数系外行星处在相对于地球运行的恒星系统中。“因此,它们的波长符合多普勒效应。”Charbonneau介绍说,这意味着它们的辐射通过其移动得以扩展或压缩,从而使光谱线从地球大气中的相应光谱线中发生稍微的偏移。由于两套光谱线不再重叠,观察者便能确定有多少信号来自系外行星。通过这种方法,天文学家探测到了在一颗行星的大气中仅占十万分之一的气体。

而对光谱透射技术的延伸,使天文学家得以测量一颗行星表面反射的光线。他们在行星通过其母星表面后开展测量工作。此时,行星位于其轨道的远端,处于白昼的一边则面向地球。加拿大麦吉尔太空研究所天文学家Nicolas Cowan表示,观察者无法把它当作一个单独的物体来看待,但他们知道,其光谱和母星的光谱结合在一起。没过多久,这颗行星将从恒星的后面经过,并且被遮住。Cowan介绍说,此刻,“从一颗行星和一颗恒星变成了仅有一颗恒星。如果你测出通量上的差异,就能辨别有多少光线来自那颗行星。”这个过程要求很高,但能测量出一颗大小和木星相仿且处于离恒星很近轨道上的行星红外光谱,即便它的亮度不到恒星的0.1%。

直接成像

寻找并研究系外行星的另一种方法是试图遮挡恒星光线并对其进行直接成像。这和在探照灯前面伸出一只手以寻找萤火虫类似。这方面的早期努力是徒劳的:即便是最暗淡的母星也比系外行星亮很多。成功的秘诀是寻找在离探照灯很远处游荡的更亮的“萤火虫”——也就是说,在远离母星轨道上因生成热量而发出光芒的年轻行星。2008年,两个研究小组宣布,首次通过直接成像发现了系外行星。这些星体包括3颗围绕恒星HR 8799运行、有着约6000万年历史的行星,以及围绕“北落师门”运行、有着超过1亿年历史的单颗行星。“北落师门”是距离地球约8秒差距的明亮恒星。

为获得此类星体的光谱,天文学家转向适应性光学仪器。这种技术能校正地球大气湍流引发的恒星闪烁,并且使发现其附近的任何系外行星简单很多。同样必不可少的还有插入望远镜光路以阻挡恒星光线的圆盘,以及通过数字技术锐化图像的复杂信号处理器。

“直接成像光谱很美,并且告诉你很多关于行星及其如何形成的信息。”HR 8799行星群的共同发现者、斯坦福大学天文学家Bruce Macintosh表示。2011年,他和同事报告称,利用第一代直接成像设备首次探测到其中一颗行星上的水蒸气。当时,这些设备仅能观测温度高于1000开氏度的系外行星。现在,Macintosh是双子座行星成像仪的负责人。该设备和位于智利的欧洲南方天文台甚大望远镜,均为旨在对降至约600开氏度的系外行星进行直接成像并采集光谱的第二代仪器。

恒星调查

下一代仪器有望揭示更多信息。定于明年8月发射的美国宇航局(NASA)系外凌日现象观测卫星(TESS)将用两年时间寻找令太阳系附近20多万颗最亮恒星出现凌日现象的系外行星。同时,系外行星还是詹姆斯—韦伯太空望远镜(JWST)的目标。JWST拥有口径达6.5米的望远镜和先进仪器,应当会比2.4米的哈勃望远镜观察到更多信息。

另外两项已经规划好但尚未获得批准的空间探测任务将利用系外行星光谱。NASA的2.4米广域红外探测望远镜有望在本世纪20年代中期发射。虽然届时它将花大部分时间回答宇宙学问题,但还是有望发现并研究约2600颗系外行星。位于夏威夷莫纳克亚山的日本昴星团望远镜项目天文学家Thayne Currie介绍说,该望远镜应当能对绕附近恒星运行并且像木星一样的行星进行成像,尽管一些更加寒冷的较小星体仍然遥不可及。这些星体类似于冥王星,或者据推测位于太阳系边缘的假定的“X行星”。

第二项任务是大气遥感红外系外行星大型调查(ARIEL)。这是欧空局将于2026年启动的3个中等规模候选项目之一。1米望远镜将专门用于研究凌日光谱,并对温度高于500开氏度的系外行星进行调查。

在10年左右的时间里,天文学家希望看到3台超大望远镜的建成:位于智利拉斯坎帕纳斯天文台的24.5米巨型麦哲伦望远镜、计划在莫纳克亚山建造的30米望远镜,以及在智利塞鲁阿玛逊斯山建造的欧洲极大望远镜。3台望远镜将全部装有自适应光学系统,而测量结果将使天文学家第一次获得在更广阔的宇宙中寻找生命的现实机会。Charbonneau说,对于此,“我兴奋不已”。(宗华)

《中国科学报》 (2016-03-09 第3版 国际)
 
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