肉眼能看到系外行星?直接影像法揭秘

作者: 汪汪

来源: 《Newton科学世界》杂志

发布日期: 2015-07-24 16:51:32

本文介绍了通过直接影像法发现系外行星的过程和相关技术,包括日冕仪和涡状日冕仪的应用,以及GPI双子座行星成像仪的功能和成就。

2014年5月,加拿大蒙特利尔大学的天文学家通过直接影像法,在双鱼座方向发现了一颗新的系外行星GU Psc b。它与母星的距离约2000AU(1AU=1.5亿公里),是目前发现的距离母星最遥远的系外行星,公转一周需要8万个地球年。

看到这个消息,许多小伙伴都惊呆了:系外行星居然还可以用“直接影像法”观测到!是的,听起来不可思议,不过“直接影像法”确实是寻找系外行星的一种方法。今天我们就来了解一些关于“直接影像法”的二三事。

系外行星的直接观测是非常困难的。小而黯淡的行星很容易被它们母星明亮的光线所掩盖。只有满足一些特殊的条件时,才能用望远镜直接观测到它们。

最早的系外行星直接影像2004年7月,一个天文学家团队利用欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜阵列(VLT)拍到了200光年外一个“行星质量天体”2M1207b。它非常靠近半人马座的褐矮星2M1207,质量大约是木星的3到10倍。进一步的观测证实它围绕着2M1207旋转,因此许多人把它看作人类首次直接拍摄到的系外行星。

但另一些人则抱有怀疑的态度:他们认为这颗行星之所以能被拍到,是因为它的母星是一颗褐矮星,比真正的恒星黯淡很多。而行星应该是围绕恒星而不是褐矮星旋转,所以他们认为它称不上一颗行星。

2008年11月,一组天文学家宣布,他们用哈勃望远镜拍到了北落师门(即“南鱼座α星”)周围的一颗行星(北落师门b)。北落师门周边围绕着一圈厚厚的尘埃盘。尘埃盘的内边缘被科学家认为是行星“北落师门b”清理出来的轨道。

根据这个,科学家能在哈勃望远镜拍摄的图片中定位出它的准确位置。这颗行星的质量不超过木星的2倍,但极其明亮。天文学家认为,它太小了,以至于根本不可能被拍下,我们拍到的,只是它周围一个比土星光环厚、也更炫目的光环系统。

在北落师门b消息发布的同一天,另一组天文学家也宣布,他们拍到了3颗围绕恒星HR8799旋转的系外行星。与北落师门b不同,它们被拍到了实体的影像(红外)。HR8799是一颗年轻的恒星,因此它周围的行星仍处于炙热的状态,在红外波段非常显眼。不过,在可见光波段中,这些行星还是远远不足以被肉眼看到。

为了遮掩母星强烈的光线,需要用到“日冕仪”。日冕仪(Coronagraph)实际上是一种人造“日食”,由法国默东天文台的贝尔纳·费迪南·李奥在1930年发明,当时主要用来研究太阳的日冕和日珥的形态及光谱变化,现在越来越多地改进用来寻找系外行星。

2010年,NASA主持的TPF计划(Terrestrial Planet Finder)中,帕萨迪纳喷气推进实验室的Gene Serabyn和他的同事开发了一种新的日冕仪——“涡状日冕仪”(vortex coronagraph),将日冕仪和自适应光学(用来去掉大气湍流造成的扰动)结合起来,可以让口径更小的望远镜直接拍摄到系外行星。

该团队使用威尔逊山天文台海尔望远镜1.5米的一部分镜面拍摄到了前文所述的恒星HR 8799周围的三颗行星。

这三颗被称为HR8799b、c和d的行星,就是前文所述的与“北落师门b”同一天发布的那三颗行星。它们被认为是类木的气体行星,但是质量更大。与母星的距离分别为24、38和68个AU。它们最早是被夏威夷岛上的两个较大的望远镜捕捉到。

最先进的GPI双子座行星成像仪(GPI),是位于智利的南双子座天文台8米口径望远镜的一个装置。它不仅可以解决母星光芒的干扰,筛选出系外行星微弱的光线,还可以分析系外行星的大气成分和温度。GPI由一个用来移除大气扰动的自适应光学系统、一个挡住恒星星光的日冕仪、一个红外线探测仪和一个光谱仪组成。成像仪可以通过分析行星的光谱来确定它的成分以及表面温度,还可以拍摄偏振光照片。

GPI拍下了第一张行星的照片——Beta Pictoris b,围绕着恒星Beta Pictoris旋转。恒星被日冕仪遮挡。GPI拍摄的第一个行星就是它。于2013年11月11日光棍节那天拍摄。这颗发现于2008年的巨行星比木星大2/3,质量是地球的3000倍,位于63光年外,围绕一颗叫绘架座β(Beta Pictoris)的恒星旋转。

最近,科学家测量出它的自转周期仅8小时,赤道时速10万公里,是地球的60倍。这也是人类第一次测出系外行星的自转速度。

“直接影像法”的魔力对人类来说,“看见”是有魔力的。能直接看见这些系外行星,仿佛我们也离他们更近了一些。而对于科学家来说,这些被直接影像法“看见”的系外行星,提供了非常有价值的线索。比如,北落师门b与原行星盘的相互关系,以及它在红外波段不可见的特性,说明它的质量非常小。

然而它却发出耀眼的光芒,据此科学家判断它周围有一个厚重的光环系统。在HR8799中,行星发出的红外辐射,结合行星起源的模型,科学家可以初步估计它的质量。

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