清華大學(xué)天文學(xué)導(dǎo)論-14系外行星

1、天文學(xué)導(dǎo)論,第6講系外行星Exoplanets (planets around other stars),（與地外生命）,本講內(nèi)容,引言：系外行星存在的證據(jù)方法：探測系外行星的5大技術(shù)歷史：不該有行星的脈沖星特征：系外行星與太陽系大不同方向：尋找類地行星的宏偉計劃目的：搜尋地外生命與智慧生命,1。引言：系外行星存在的證據(jù),哥白尼普遍性原則：我們所處的宇宙小小角落只不過是宇宙浩瀚星海中的“普通”一員，沒有任何理由認為我們的太

2、陽系是宇宙中的特殊存在我們居住的這顆“普通行星”圍繞著一顆“普通恒星”運轉(zhuǎn)，這顆“普通恒星”處于一個“普通星系”中的一個“普通區(qū)域”，而這個“普通星系”也處于宇宙中的一個“普通區(qū)域”,問題所在,,,,這顆行星很暗弱,它的母恒星使它幾乎不可見,為什么不用最好的望遠鏡去看一看鄰近的恒星有沒有行星? 有沒有“地球”? 有沒有“人”？問題是行星很黯淡，十分靠近它們的恒星，恒星比行星要亮~109倍,塵埃盤(Dust Disks)暗示行星的存

3、在,目前最好的望遠鏡實際上“基本上看不到”恒星周圍的行星，特別是處在地球這樣位置的地球這樣的行星太陽系形成的理論：太陽系被認為是產(chǎn)生于一個環(huán)繞著恒星的由氣體和塵埃組成的轉(zhuǎn)動著的吸積盤（氣體塵埃盤）所以，如果我們的理論正確，我們應(yīng)該在宇宙中別的地方看到類似的盤，行星可能從中產(chǎn)生塵埃盤十分常見，事實上所有新誕生的恒星都有,獵戶星云中正在形成行星的地方：塵埃盤輪廓,太陽系大小,,熱氣體的光學(xué)發(fā)射線,ionized oxygen (blu

4、e), hydrogen (green), and nitrogen (red),新形成恒星,獵戶星云中的側(cè)對地球的原行星盤,熱氣體的光學(xué)發(fā)射線（蘭、綠、紅）,發(fā)射線被濾掉,距離1500光年，直徑17倍太陽系,HST的日冕觀測儀觀測到年輕恒星周圍的塵埃環(huán)或盤（即使大部分原行星盤消失以后），它們差不多位于太陽系行星所在位置的外圍奇怪的是，一些塵埃環(huán)或盤的中央好像有空隙，難道這些地方已經(jīng)形成行星？,“越小越亮”,為什么在看不到行星時卻能

5、觀測到塵埃顆粒呢？因為塵埃顆粒的合成光十分強！給定質(zhì)量M一個行星 r~1000km，許多塵埃 r~1微米塵埃反射星光的總亮度是一個行星的1012 倍每塊巖石的（反射）亮度正比于r2，巖石的數(shù)目反比于r3顆粒越小，則它們所反射的總的恒星光越多,塵埃盤,地面望遠鏡圖像,HST圖像,著名的繪架座β星的塵埃盤側(cè)對著地球,仔細觀測會發(fā)現(xiàn)塵埃盤是彎曲的，在上下擺動，可能是一個大質(zhì)量行星的引力作用使塵埃盤扭曲,繪架座β– b：一顆巨行

6、星,,繪架座β的塵埃盤與巨行星,,繪架座β-b的公轉(zhuǎn),,2003,2009,首次證實最年輕的行星：繪架座β-b,年齡：幾百萬年,塵埃盤普遍存在,實質(zhì)上每一個新生的恒星周圍都有一個塵埃盤如果相信塵埃盤和行星同時形成，這就是說每一顆恒星周圍實質(zhì)上都有行星塵埃盤的觀測為行星在宇宙中無處不在提供了重要的線索但是也許形成塵埃盤時并未產(chǎn)生行星，而且即使行星形成，我們也不清楚它們是什么這些證據(jù)是間接的，對這些“虛幻的行星”有沒有更好的證據(jù)？,

7、2。方法探測系外行星的5大技術(shù),系外行星探測技術(shù)1：直接成像法,通過天文望遠鏡進行觀測時，由于恒星過于明亮而無法發(fā)現(xiàn)行星。在遮擋恒星光的情況下進行觀測就可以分辨出行星。在天文望遠鏡上加裝日冕儀，降低恒星亮度，直接拍攝行星。,HR 8799 (Keck),北落師門（HST）,北落師門b（Fomalhaut b）：年輕的行星,北落師門：1等亮星，距離25光年，年齡1-3億年偏心的橢圓塵埃殘骸盤（~柯伊伯帶）25等行星共同的自行

8、圍繞北落師門公轉(zhuǎn)周期~870年距北落師門199AU~海王星到太陽距離的4倍質(zhì)量 < 3倍木星,HST，日冕儀，600nm,HR 8799bcd：放大版的太陽系,HR 8799：飛馬座6等星，距離130光年，年齡約6000萬年dcb分別在24、38和68個天文單位處繞恒星轉(zhuǎn)動，周期100、190和460年，質(zhì)量分別為木星的10、10和7倍同一軌道平面內(nèi)逆時針旋轉(zhuǎn)（垂直視線）,6個直接成像系外行星與太陽系的比較,系外行星探測

9、技術(shù)2：天體測量學(xué)法,原理：雙星系統(tǒng)圍繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,恒星的反射（Reflex Motion）運動或稱擺動,,恒星和它的行星環(huán)繞它們的共同質(zhì)心轉(zhuǎn)動。如果質(zhì)量相等，則轉(zhuǎn)動中心在兩者中間；實際上，恒星質(zhì)量遠大于行星，所以轉(zhuǎn)動中心更靠近恒星（甚至在其內(nèi)部）當(dāng)行星轉(zhuǎn)動時，恒星沿較小的軌道轉(zhuǎn)動，但兩者的軌道周期相等恒星軌道的大小取決于行星的質(zhì)量和兩者之間的距離：大質(zhì)量行星（如木星）

10、使恒星的運動顯著行星越靠近恒星，則恒星的擺動越大（周期越?。┧裕瓌t上即使看不到行星，我們也能從恒星的運動得知行星（伴星）的存在,天體測量學(xué) Astrometry,天體測量學(xué)：高精度測量恒星在天球上的位置移動測量恒星的微小擺動非常困難，已有幾十年的歷史,,,,,,,,,,,,,,,行星對其母恒星的運動軌跡所造成的干擾,怎樣做?,如果觀測到一個恒星在做某種軌道（反射）運動，我們可以確定恒星運動的軌道周期恒星運動的軌道速度由

11、此可以確定引起恒星做反射運動的天體（行星或褐矮星）的質(zhì)量和其到恒星的距離,“外星人”看我們太陽的擺動,從32.6光年處所看到的由木星的引力所造成的太陽的位置移動,系外行星探測技術(shù)3：視向速度法,,恒星的視向速度（隨時間變化的）曲線,,,,多普勒效應(yīng)發(fā)揮威力,視向速度測量 radial velocity measurements：應(yīng)用多普勒效應(yīng)高精度測量恒星靠近或遠離我們的速度（即恒星的視向運動）由多普勒效應(yīng)得到恒星的反射運動的精度遠

12、遠高于天體測量方法（早期）絕大部分系外行星由此方法間接發(fā)現(xiàn),系外行星探測技術(shù)4：凌星法,當(dāng)行星運行到恒星前面時，會遮擋很小一部分恒星光，而使得恒星周期性地變暗,事實上并未看到行星,HD 209458 被行星凌星（第一個）,恒星亮度僅下降1.5%！（1999年11月）,,凌星開始,目前COROT精度高達萬分之幾！,儒略日,,由恒星亮度的變化可推算出行星的大小，進而可估算行星的密度（推測物態(tài)、成分等）由于凌星，對此行星的了解要多于其它

13、系外行星。它的體積比木星稍大，但是質(zhì)量更小，說明其密度很低，甚至低于土星（太陽系密度最低的行星）,系外行星探測技術(shù)5：微引力透鏡法,當(dāng)一顆恒星及其行星從遠處背景恒星前經(jīng)過時，引力透鏡效應(yīng)增強背景恒星的亮度，從而能夠顯示恒星及其行星的存在,OGLE-2005-BLG-390,b,,背景恒星,系外行星探測技術(shù)6：時間測量法,,3。系外行星早期探測的曲折歷程,早期的系外行星探測利用天體測量學(xué)技術(shù)1969年，范德坎普van de Kamp

14、聲稱探測到了一個很近的矮星的周期擺動：由兩個木星質(zhì)量大小的行星引起，一個軌道周期為12年，另一個26年 人們質(zhì)疑：如何僅用10年數(shù)據(jù)得到12年或26年的擺動周期？并且也沒得到進一步確認此結(jié)果雖廣為流傳，但是相信它的人越來越少,,1983年，Harrington 等聲稱發(fā)現(xiàn)恒星VB8更大的擺動。這一次引起擺動的行星質(zhì)量必須很大,估計為木星的50倍兩年后，McCarthy 聲稱真正觀測到了這顆行星：利用斑點干涉測量法（speckle

15、 interferometry）過濾掉明亮的恒星光許多人企圖重復(fù)他們的結(jié)果，都未成功“是不是外星人意識到地球人在注視他們而隱藏起來了？”結(jié)果是，尋找系外行星在天文界變得臭名昭著,脈沖星行星,1991年，利用周期性的反射運動原理成功發(fā)現(xiàn)了第一顆系外行星但仍有一個障礙：這個行星位于一個不應(yīng)該有行星的一個脈沖星（中子星）旁大質(zhì)量恒星爆炸（超新星爆發(fā)）后形成中子星。任何恒星原有的行星會被超新星的沖擊波蒸發(fā)掉或被拋到星際空間。因此，中子

16、星應(yīng)該是“絕對”不會有行星的,脈沖星是傾斜的自轉(zhuǎn)磁中子星,,脈沖星應(yīng)該不會有行星,系外行星探測技術(shù)6：時間測量法,1991年，兩個脈沖星研究小組報道了不可能的脈沖星行星行星引力使得脈沖星做周期性的軌道運動, 從而周期性地改變脈沖的到達時間英國小組發(fā)現(xiàn)脈沖星 PSR1829-10 的脈沖到達時間在周期性改變，但行星是由于程序錯誤生成的美國小組發(fā)現(xiàn)脈沖星 PSR B1257+12 的脈沖信號也存在周期性的提前和推遲到來兩個周期 ?

17、 兩個行星,現(xiàn)在相信PSR B1257+12系統(tǒng)有至少3個行星：一個質(zhì)量小于地球，另兩個質(zhì)量是地球的3-5倍,正常恒星有行星？,脈沖星有行星。不該有，但的確有。即便有，也是奇怪的，原因？顯然，這并不令地球人滿意：我們真正關(guān)心的是類太陽恒星是否有行星：類太陽恒星的行星可能是舒適的，可能有像地球那樣的環(huán)境，并由此可知我們的太陽系是不是獨特的,正常恒星有行星？,如果恒星有行星繞轉(zhuǎn)，恒星則會前后擺動 ，因此恒星的輻射波長會周期性地變大和變

18、小但是，波長變化很小，木星對太陽的影響為大約10米/秒，對其它行星則更小當(dāng)時世界上最好望遠鏡的多普勒測量精度大約是100米/秒（光譜分辨率）相對地，脈沖星的脈沖到達時間的周期性提前和延遲更容易捕捉（時間分辨率）,艱苦而遲緩的觀測工作,大多數(shù)人放棄了多普勒效應(yīng)這種技術(shù)，因為要求的精度比大多數(shù)人所能得到的精度要高1000倍之多！但仍有少數(shù)不被天文界注意的小組孜孜不倦數(shù)十多年來提高這種技術(shù)的精度，降低測量誤差補償望遠鏡溫度變化所產(chǎn)生

19、的誤差模擬并改正大氣條件變化（最困難，自適應(yīng)性光學(xué)）逐步改進儀器和數(shù)據(jù)分析技術(shù)到了1995年......,瑞士天文學(xué)家馬約爾（Mayor）和奎洛茲（Queloz）令世人驚駭?shù)匦?多普勒效應(yīng)成就了地球人的“初級”夢想！,幾十年的辛勤工作，多普勒測量技術(shù)提高到驚人的每秒幾米的精度！但仍然不足以找到像木星這樣的行星，所以它們并不奢望發(fā)現(xiàn)行星他們只是希望發(fā)現(xiàn)環(huán)繞鄰近恒星轉(zhuǎn)動的矮星或褐矮星（雙恒星系統(tǒng)）但有一特殊恒星， 51 Peg

20、asi (飛馬座) （類似于太陽的G 型星），的確在行為奇怪地……,恒星的視向速度（隨時間變化的）曲線,第一顆系外行星真奇怪,飛馬51恒星視向速度變化超過100米/秒，周期4.2天。造成速度變化大的兩種可能：一個質(zhì)量大但遠離恒星的矮星一個質(zhì)量小但靠近恒星的行星如此快速的軌道運動說明這個天體不僅小而且十分靠近飛馬51!這個不可見的天體質(zhì)量約為木星的一半（兩倍土星，但它環(huán)繞飛馬51運動的距離僅有 0.05 AU：比水星到太陽的距離還

21、要近8倍左右！,Hot Jupiters 熱木星?,即便真實，它一點不像太陽系中的行星！質(zhì)量為木星一半的行星應(yīng)該是一個氣態(tài)巨行星。但它十分靠近恒星，相當(dāng)于在恒星表面掠過，它到底在干什么？,依然懷疑主導(dǎo),激動人心！第一顆系外星系找到了毋容置疑，除了媒體沒有人真正相信 Mayor and Queloz 的結(jié)果 已多次知道尋找系外行星是癡心妄想；數(shù)據(jù)如同垃圾這類行星（大質(zhì)量木星比水星還要靠近恒星）沒有什么意義。我們認為我們理解了行星

22、是如何形成的，因此這類行星“沒有”權(quán)利存在但是接著……,來自舊金山一個沒有名氣大學(xué)的兩個沒有名氣的天文學(xué)家 Geoff Marcy （馬西）和 Paul Butler 也莊嚴地 宣布,確認第一顆系外行星的身份,多年來Paul Butler and Geoff Marcy也在提高多普勒效應(yīng)測量的精度對環(huán)繞G型恒星的矮星多年巡天，得到大量數(shù)據(jù)，但沒有分析，因為他們的精度和Mayor and Queloz的類似，精度太差不會發(fā)現(xiàn)木星之類

23、的天體。所以不奢望發(fā)現(xiàn)行星當(dāng)耳聞Mayor and Queloz的結(jié)果后，他們開始分析自己的數(shù)據(jù)。碰巧他們也觀測了51 Peg, 并發(fā)現(xiàn)該恒星的擺動與Mayor and Queloz發(fā)現(xiàn)的完全一致兩個小組能夠發(fā)現(xiàn)如此小的擺動是因為這顆行星太靠近恒星了。假如把它放得遠一點，例如木星的位置（5 AU），則恒星擺動會變得小得觀測不到！,發(fā)現(xiàn)一些恒星的擺動復(fù)雜，表明存在多個行星,系外行星系 Multiple Planet Systems,多

24、周期的視向速度曲線,復(fù)雜的模式顯示出至少3個行星的證據(jù)：4.6天，0.5年和3年的周期,,4。系外行星的統(tǒng)計特征： “與太陽系大不同”,質(zhì)量大，距恒星近熱木星,,2001 List of Planets, found using the Doppler technique.,,,Mercury’s Orbit,,Venus’ Orbit,Earth’s Orbit,,,質(zhì)量大，離恒星近,十分奇

25、怪的系外行星：相當(dāng)大，大于土星，有些甚至大于木星（太陽系老大也相形見絀！）這些大質(zhì)量行星非?？拷鼈兊暮阈?！但在太陽系，大質(zhì)量行星由氣體組成，位于外太陽系,軌道橢,大多數(shù)系外行星的軌道非常橢，明顯不同于太陽系,,,,,,,,,CoRoT-7b：第一顆系外巖質(zhì)行星,歐空局 ESA: 2006年12月27日發(fā)射，尋找圍繞其它恒星公轉(zhuǎn)的可居住的類地行星,2009/02/03 CoRoT探測到質(zhì)量最小的系外行星,直徑為地球的1.7倍（凌星法）

26、質(zhì)量為地球的5倍（視向速度）密度為5.6（地球密度5.52）絕非氣態(tài)巨行星，~地球距離恒星為水星距太陽距離的1/23，公轉(zhuǎn)周期20小時白天溫度2000度，夜間-200度惡劣條件，任何生命無法承受，地獄,“超級地球”,系外行星中大多為氣態(tài)巨行星超級地球：體積介于海王星和地球之間，質(zhì)量為地球的5-10倍是否為巖質(zhì)“10多”顆候選者對質(zhì)量與地球相近的系外行星進行觀測,水，而且是液態(tài)水,全新挑戰(zhàn)：正是對于外星生命的探尋液態(tài)

27、水是生命誕生的第一要素？發(fā)現(xiàn)位于可居住區(qū)域、適合生命存在的巖質(zhì)行星，距離其恒星不遠也不近而存在液態(tài)的水,可居住區(qū)域 Habitable Zones,,可居住區(qū)域 Habitable Zones,,,2009年3月6日發(fā)射成功口徑0.95米，監(jiān)測星光變化（凌星），對（銀河系）固定天區(qū)（15萬顆恒星）連續(xù)監(jiān)測3-4年 預(yù)計發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆地球大小或更小的行星（特別是類似地球軌道上的行星）估計類太陽恒星有多大的比例擁有類地行星,前沿專題

28、詳見《環(huán)球科學(xué)》2011年第4期第51頁,,,,,NASA宣布開普勒觀測到715顆太陽系外新行星,已有961（1700）個開普勒望遠鏡觀測對象被證實為行星。這些行星的大小大部分都介于地球和海王星之間（超級地球）。,Kepler-186行星系：宜居帶中地球大小行星,,Kepler-186行星系：宜居帶中地球大小行星,,我們呼喚：地球2.0，您在哪里？,,如何探測到生命的存在呢？,10枚探索太陽系的探測器回望藍色的地球地球光譜的“缺失”?

29、 地球大氣層的構(gòu)成 ? 顯示生命存在的“生物標(biāo)志物”對生命進行遠程探測有可能實現(xiàn)的第一項證據(jù)生命特征本身是無法遠距離探測的，但大氣層因為生命活動而發(fā)生的變化可以從遠距離探測惟一能明確證明生命存在的生物標(biāo)志物：氧、二氧化碳和水蒸氣的組合（光合作用）先以氣態(tài)巨行星為目標(biāo)：水、甲烷、二氧化碳,Exomoons,已探測到地球大小的系外行星探測技術(shù)已進入類地行星領(lǐng)域系外月球/衛(wèi)星是否可探測？可居性的？影響其行星的可居性？（月球-地

30、球）地球在宇宙中的地位？,5。目標(biāo)：未來30年找到“異域生命”？,Space Interferometry Mission (SIM),NASA are building a spacecraft called SIM (the Space Interferometer Mission) to look for the wobbling motions of stars with enough accuracy that someo

31、ne might even believe the results.SIM is scheduled for launch in 2009.Together with ground-based telescopes, it should find every Jupiter Mass planet within about 100 light years, by means of their reflex motions.,,達爾文

32、計劃（ESA）：概念,Darwin will be a flotilla of four or five free-flying spacecraft that will search for Earth-like planets around other stars and analyse their atmospheres for the chemical signature of life.,,概念,Terrestrial Pla

33、net Finder is a mission concept currently under study by NASA for a potential future mission suite. TPF would study all aspects of exoplanets: from their formation and development in disks of dust and gas around newly fo

34、rming stars to their suitability as abodes for life.,,30億美元的太空計劃：三選一,干涉測量法計劃：尋找生命分子（達爾文+TPF）簡單日冕觀測法計劃：發(fā)現(xiàn)行星表面大陸配備外置式遮光裝置的日冕觀測法計劃：發(fā)現(xiàn)植物,低成本搜尋系外行星,M型矮星凌星巡天（200萬美元）近紅外光譜儀（500萬美元）激光頻率梳（10萬美元）視向速度天文臺（5000萬美元）系外行星衛(wèi)星（每個25萬美

35、元）,2017 NASA：Transiting Exoplanet Survey Satellite（TESS 苔絲）,,2024: 歐洲將發(fā)射“柏拉圖”望遠鏡：搜尋第二地球,柏拉圖望遠鏡的設(shè)計目標(biāo)是搜尋近距離上圍繞類太陽運行的系外行星,6。地外生命與文明的探索,太陽系中的生命探索人類的家園—地球地球上的生命來自隕石或彗星？火星：最熱鬧的搜尋目標(biāo)土衛(wèi)六泰坦（Titan）：類似地球的大氣木衛(wèi)二歐羅巴（Europa）：地貌，可能的

36、地下海洋土衛(wèi)二（Enceladus）：可能的地下海洋金星：可能曾經(jīng)擁有海洋在尋找外星生命時，是否應(yīng)該超越以地球生命為依據(jù)而形成的對生命形態(tài)的思維定式？？？,搜尋地外智慧生物（SETI）,20世紀50年代，射電望遠鏡分辨率（波長）的提高，導(dǎo)致對外星智慧和文明的幻想和尋找搜尋地外智慧生物 SETI（Search for extraterrestrial intelligence）：分析來自宇宙的射電信號，確認是自然過程產(chǎn)生的信號

37、還是經(jīng)過智慧生物加工過的信號。結(jié)果除了取得信號處理技術(shù)成就外，一無所獲，但發(fā)現(xiàn)和理解了宇宙射電信號的性質(zhì)（類星體的發(fā)現(xiàn)）,與外星人的通訊頻率,能穿過地球和外星文明所在星球的大氣層，且避開宇宙背景的無線電輻射的干擾1400兆赫茲頻率附近，宇宙背景噪音很小中性氫(H)的21厘米譜線和氫氧基(OH)的18厘米譜線? “水洞”搜尋地外文明的奧茲馬計劃，始于1960年NRAO 25米射電望遠鏡21厘米：波江座ε星和鯨魚座γ星兩臺更大口徑

38、射電望遠鏡在21厘米：660顆類太陽恒星美國“高分辨率微波巡視”計劃：阿雷西博305米射電望遠鏡，100光年以內(nèi)的約1000顆類太陽恒星1971年NASA提出“賽克洛普斯”計劃：1026面百米級直徑的天線陣列，分布在幾十千米范圍,1974年用阿雷西博305米射電望遠鏡向武仙座M13球狀星團（距離2.4萬光年）智慧生物發(fā)射電報,,,1972-1973年“先驅(qū)者”10和11號攜帶的向宇宙人致意的信件,1977年“旅行者”1和2號攜帶的“

39、地球之音”唱片,,歷史時刻！NASA確認旅行者1號已飛出太陽系,1977年9月5日“旅行者1號”發(fā)射，在經(jīng)歷漫長的36年7天之后，它飛行了186.68億公里，進入到恒星際空間，逃離了太陽系 2013-09-13,地外生命的可能性：星際有機分子,天文觀測發(fā)現(xiàn)宇宙的星際空間存在著大量的有機分子，由氫、氧、碳、氮、硫、硅等元素構(gòu)成。前4種元素

40、是組成生命單元的細胞的蛋白質(zhì)和DNA的最基本的元素。DNA是細胞核中的一種復(fù)雜的分子，儲存了生命個體過程的信息。發(fā)生著孕育生命進化的過程。盡管構(gòu)成生命的基本元素在宇宙中到處存在，但生命的形成和演化需要適宜的外部自然環(huán)境。,文明社會的估計—德雷克公式（1961）,R： 銀河系中的恒星誕生率Fp：擁有行星系統(tǒng)的恒星概率Ne：適合生命居住的行星平均數(shù)Fl：可居住生命并出現(xiàn)生命的行星的概率Fi：有生命的行星系統(tǒng)中出現(xiàn)智慧生命的概率

41、Fc：有智慧生命的行星系統(tǒng)中有能力進行星際通訊能力 的概率L： 文明社會的壽命N： 銀河系中有文明社會的總數(shù):1000萬？10萬？,地外文明是嚴肅的科學(xué)問題,地外文明是人類長期以來極其關(guān)注的話題大量有關(guān)外星人的科幻電影和小說，把地外文明表現(xiàn)得淋漓盡致地球之外是否有生命？是一個嚴肅的科學(xué)問題，一個需要思考和探索的科學(xué)問題偶然 PK 必然 （ “費米問題” ）探尋宇宙中各種生命形式，不僅僅是為了尋找我們在宇宙中的同伴，更是為了了