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新光谱仪助力探测系外类地行星

发布时间:2019-10-12 15:40编辑:科技研发浏览(85)

    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”

    中国化工仪器网 行业动态】欧洲南方天文台近日宣布,一架用于搜索系外行星的新设备,看到了来自宇宙的缕光线。这个名为岩石系外行星和稳定光谱观测阶梯光栅光谱仪能通过测量由行星引力引起的恒星光谱变化,探测系外行星。 对于这种技术而言,当其更近轨道上有更多大质量行星时,恒星摆动的信号更大。ESPRESSO有超高分辨率、更宽的波长范围,并被安装于位于智利的甚大望远镜上,科学家希望它能分辨出具有与地球相似的质量和轨道的行星。 “这是此类设备中全世界成熟的。”英国剑桥大学天文学家Didier Queloz说。1995年Queloz与合作者发现了颗围绕一颗标准恒星运行的系外行星。 在系外行星科学发展的早期,这种“径向速度”方法就是一种可选择的技术,因为昏暗的行星太过微弱,以至于人们无法在其附近恒星的耀眼光芒中看到它。而从地球上的观测者的角度来看,一颗在轨的系外行星会反复“拖拽”其母恒星,而恒星速度变化可以利用其光的频率的多普勒频移被探测到。 实际上,径向速度也称视向速度,即当行星绕恒星转动时,其引力作用在恒星上,使恒星围绕着恒星和行星的共同质量中心旋转。人们就是利用这种办法发现了数百颗系外行星。 但近几年来,该技术逐渐被凌日探测技术取代。当行星通过恒星前方时,会让恒星暂时变暗,就发生了凌日。自2009年开始,美国宇航局的开普勒太空望远镜就利用凌日探测发现了数千颗系外行星。 由于它们的工作方式的不同,这两种方法揭示了一颗系外行星的不同特征。两者都揭示了行星轨道,但径向速度指向了行星的质量,而凌日则揭示了它的大小。当然,在理想情况下,天文学家想要知道这两者。 Queloz提到,研究人员开始“明白径向速度对于质量而言是必不可少的,这就让人们对测量这些数据产生兴趣”。一些地基仪器一直在不停地测量系外行星的径向速度,其中包括ESO的高精度径向速度行星搜索器和美国加州大学利克天文台的自动化行星探测器。但天文学家想要的更多。 这激发人们开始设计新一代光谱仪,以便使用不同技术寻找系外行星,并覆盖不同的波长范围。上一代光谱仪可以测量每秒1米左右的恒星摆动速度。例如,木星以每秒13米的速度拖拽太阳,但地球只能达到每秒9厘米的径向速度。 而在新一代光谱仪中,ESPRESSO的目标是类地行星,灵敏度为每秒10厘米,甚至更慢。来自瑞士日内瓦大学的科学家Francesco Pepe说:“我们是个疯狂地做到这一点的人。” 可能它还无法找到地球的孪生兄弟,但ESPRESSO应该能够探测到比地球重3到4倍的超级地球,而且这些行星也围绕着一颗类似太阳的恒星运转。它也可以探测到在较小恒星周围的地球大小的行星,在这样的一个系统中,较弱的拖拽力就可以获得更大的速度。 Pepe也承认,与上一代相比,ESPRESSO并不是革命性的,更确切地说是扩大了HARPS的技术,并被用于更大的望远镜。“我们正在以目前有限的技术能力,做一些独特的事。”他说。 其中,一个具挑战性的技术是激光频率梳,它能将激光束分成数十万相等频率间隔的光学频率序列,以提供一种参考网格来测量恒星光的多普勒频移。Pepe说,他们仍在努力让频率梳覆盖整个仪器的探测器 Queloz指出,ESPRESSO的力量在于它对更广泛的波长的敏感性,以及VLT巨大的光收集能力。在目前的径向速度测量中,研究人员正在对抗恒星动荡大气层引起的背景星光噪音。通过收集更多光线、覆盖更多波长,天文学家可以更好地“消除恒星大气的影响”,他说。 VLT包括4个相同的8.4米望远镜。而ESPRESSO的定位是,可以从任何一个或所有的望远镜中获得光。“它是一个多面手,能完全适应和融入VLT的灵活性。”Queloz说。 编辑点评 正太阳系外行星搜寻是目前天文学与天体物理学研究的热门课题之一,视向速度法作为现有常见的探测技术,需要不断地革新来提高探测效率。 (原标题:新光谱仪开始搜寻系外行星)

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    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在位于智利的欧洲南方天文台极大望远镜上运行。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。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以及欧洲系外行星特征观测卫星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。

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