来源:“学习强国”学习平台 中国科学报社 发布时间:2024/1/16 7:58:15
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科学家回信 | 平劲松: 天文学家有7种方法“看见”系外行星

 

编者按:2023年5月起,“学习强国”学习平台与中国科学报社联合发起“科学家回信”活动,邀请广大读者向自己心中向往尊敬的科学家、科技工作者提问、留言。活动启动后,“学习强国”“科学网App”收到了读者的踊跃留言。我们精选了读者卢俊宇的提问,请中国科学院国家天文台研究员、中国科学院大学空天学院博士生导师平劲松发出第三十九期回信

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读者卢俊宇:既然宇宙中的天体距离这么远,地球上的天文台拍摄的精度也有限,我们是如何判断地外行星的呢?

平劲松:行星与恒星相伴而生,一般认为,行星是恒星系统诞生初期,由系统外围的尘埃和分子云物质通过引力生成的。引力作用下收缩的星云成为一个原始的行星盘。星盘中心部分的物质形成了高温、高密度的恒星。行星盘物质在尘埃和气体的引力相互吸引下,逐渐凝聚形成星子或行星。普遍存在的恒星-行星系统中,恒星燃烧自身发光,绕转的行星通常主要反射来自中心恒星的光。

太阳系里面的行星围绕太阳运行的,且通常是严格遵从牛顿定律和开普勒定律的。如果看见某个行星类型的天体运动特征不符合太阳系内牛顿定律和开普勒定律,就可以判断其来自太阳系外。

天文学家已经观测到近万颗太阳系外行星或系外行星。这些系行星大多是类木星行星或巨行星,它们大多围绕特定的恒星公转,很多超过木星质量。另外,还零星地有一些行星并没有围绕一个恒星公转,而是在宇宙中流浪,成为星际行星。

因为距离太远、本身主要反射来自中心恒星发出来的光导致系外行星的亮度不能或难以被地面或天上的望远镜感知到,即“看不见”。目前能找到的系外行星,基于以上行星形成的通常假设:恒星形成同时附带有行星形成。这样在观测恒星时,就会受到其周围行星的干扰,包括行星质量太大导致恒星位置的空间晃动、行星恰好位于恒星和地球之间导致恒星亮度被抑制、恒星发出的光谱出现了与行星牛顿运动一致的吸收光谱和多普勒频偏等,有许多种方法可以用来“看见”系外行星。

1.天体测量法:通过精确测量恒星的运动轨迹来确定受其引力拖曳的行星所在,能够较为准确地计算出行星质量,对大轨道的行星尤为敏感。新的天体测量学有望帮助他们找到数万颗新的系外行星。

2.直接成像法:类似对矮星的观测,给超大系外行星拍照,以获得其光度、温度、大气、轨道等信息。要求其不被母恒星的光芒所掩盖。望远镜通常配备有功能强大的星冕仪,能在观测中有效屏蔽掉母恒星的耀眼光芒,从而获得系外行星的清晰“形象”。

3.径向速度法:大部分系外行星都是通过间接方法被发现的。径向速度法依据运动-频率的多普勒效应,判断运动物体与恒星光谱偏离大小,即速度大小。现代的光谱仪器已经可以检测出低至1米/秒的速度变化,从而推测出系外行星的质量、周期等信息。

4.凌星法:指当系外行星从母恒星与地球之间经过时,行星会遮挡住部分恒星发出的光线,造成我们观察到的恒星亮度发生轻微减弱。从而获知系外行星的存在。

5.引力微透镜法:微引力透镜是天文学中的一个视觉现象和有力的探索工具。恒星-行星-地球在光线传输过程中存在遮挡关系时,恒星观测效应产生一个光变曲线,其拥有行星时就会产生二级光变曲线。恒星二级光变曲线证明系外行星的存在,是寻找流浪行星的有效方法。

6.脉冲星计时法:围绕脉冲星运动的行星会影响脉冲星自转稳定特性,对脉冲星的计时观测中通过时间测量的异常来发现系外行星的踪迹。

7.狭义相对论法:恒星的亮度因周围行星引力作用引发相对论效应,导致组成光的光子以能量的形式“堆积”,并集中于恒星运动的方向。借助利用爱因斯坦狭义相对论也可以发现系外行星。

 
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