作者:宗华 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/1/15 15:28:47
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全球望远镜“加码”搜寻类地行星
新一代光谱仪或帮助天文学家到寻找真正的地球“孪生兄妹”

探索频道望远镜通过感知系外行星引发的恒星摆动搜寻它们。图片来源:JEREMY PEREZ

提及寻找新世界,美国宇航局(NASA)的开普勒太空飞船经常占据头条新闻:自2009年发射以来,已经累计发现了上千颗系外行星。但在开普勒之前,辨别系外行星的主力是地面仪器。这些设备能测量围绕恒星运行的行星引力导致的恒星微小摆动。如今,它们正在悄悄地再次兴起。新一代仪器可能精确到足以寻找真正的地球“孪生兄妹”:一颗质量和地球相当并且每年绕像太阳一样的恒星运转一次的行星。这是开普勒——对行星大小足够敏感,但对质量不够敏感——无法做到的事情。

2017年12月9日,位于美国亚利桑那州的探索频道望远镜极端精密光谱仪(EXPRES)首次对天空进行了巡视。去年10月,岩石系外行星和稳定光谱观测阶梯光栅光谱仪(ESPRESSO)在位于智利的欧洲南方天文台(ESO)极大望远镜上运行。二十几台其他设备也正在建设中,或者最近已经开始服役。“现在很明确的是,系外行星是天文学的一个重要部分。”宾夕法尼亚州立大学天文学家Jason Wright表示,“因此,每个大型天文台都需要高分辨率的光谱仪。”

此类光谱仪将星光分解成一系列光谱色。天文学家则寻找这些光谱线随着时间流逝发生的多普勒频移的微小振荡(由行星“拖曳”引发)。

此项技术对于紧紧围绕其恒星运行的巨大行星效果最好,因为这种行星的引力“拖曳”会更强。因此,早期发现——诸如1995年发现的首颗系外行星——通常是“热木星”,即在近围轨道上运行的巨大行星。随后是在2003年出现的位于ESO拉西拉天文台的高精度径向速度行星搜索器(HARPS)。这是使天文学家得以在更宽的轨道上寻找更小行星的第二代光谱仪。

不过,近年来,由开普勒引领的新一代穿越搜索技术开始占据主导地位。开普勒会“盯着”一部分天空中的14.5万颗行星,并且在行星从恒星前面经过时寻找恒星亮度的下降。尽管开普勒很多产——辨别出上千颗系外行星并且测量了它们的大小,但这些行星和它们的恒星大多离地面光谱仪太远,以至于无法判定它们的质量。在接下来的一年里,开普勒“继任者”——凌日系外行星巡天测量卫星(TESS)以及欧洲系外行星特征观测卫星(CHEOPS)的发射将改变这一切。它们将搜寻天空,以寻找附近明亮恒星被行星横越的现象,而这非常适合地面后续跟踪。“要了解它们,我们不得不知道它们的质量。这绝对是最基本的问题。”来自加拿大蒙特利尔大学的René Doyon表示。

新的光谱仪应当能测量TESS和CHEOPS发现的很多行星的质量。天文学家将此类仪器的精度大幅提高,部分是通过将其同机械和热噪声分离实现的。也就是说,将光谱仪装进同望远镜分离的真空管中并且将光线通过光导纤维运送进来。研究人员还改进了参考光谱,从而使光谱线的缓慢变化能被测量出来。

诸如HARPS等设备依赖于钍—氩等产生的参考光谱。不过,它们产生的是一堆拥有各种亮度的光谱线。相反,包括ESPRESSO和EXPRES在内的新一代光谱仪利用的是激光频率梳。其能复制来自激光的单个光谱线,以形成极其精确的参考光栅。

瑞士日内瓦大学首席科学家Francesco Pepe表示,有了这些改进,ESPRESSO的目标是测量慢至每秒钟10厘米(基本上和巨型陆龟的速度相当)的恒星运动。这将比HARPS的性能高出10倍,并且是在地球大小的轨道上围绕像太阳一样的恒星运转的地球“孪生兄妹”引发的移动速度。

在这种精度下,恒星大气中的脉冲气体能淹没任何摆动信号。而在一些新型光谱仪的帮助下,研究人员希望通过比较不同波长范围内的光谱移位,从噪声中分辨出这种摆动。不过,Pepe认为,噪声会将ESPRESSO限制在发现重量约是地球三四倍的行星范围内。只有恒星的质量很小并且更容易受到行星“拖曳”的影响,ESPRESSO才有可能发现大小和地球相当的行星。

其他光谱仪通过聚焦一些最小的恒星——红矮星,增加对较小行星的敏感度。红矮星发出的光线大多是红外线,而地球大气层仅允许狭窄范围的近红外波长到达地面。这对仪器建造者提出了挑战。“研发仪器的推动力很强。”正带领团队建造近红外行星搜索器的Doyon表示。

新一代设备甚至能增强穿越搜索研究。除了寻找光谱摆动,它们或许还能发现恒星星光在穿过凌日行星大气时产生的其他光谱线。凌日光谱仪和现有设备已经揭示了系外大气中的水、二氧化碳等气体,并且正利用其寻找生命迹象。如果新的光谱仪能描述这些行星的特征,那么这场复兴或许将变成一次革命。(宗华编译)

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