基础天文学-地外行星课件.ppt

1、*寻找地外行星 银河系直径大约银河系直径大约1010万光年，其中分布着万光年，其中分布着大约大约20002000亿颗恒星。亿颗恒星。物理学定律：宇宙各处均相同。物理学定律：宇宙各处均相同。引力、电场和磁场、量子理论等物理规引力、电场和磁场、量子理论等物理规律是普适的；原子和分子的物理结构是一样律是普适的；原子和分子的物理结构是一样的；宇宙中各处的二氧化碳分子也都是相同的；宇宙中各处的二氧化碳分子也都是相同的。那么，我们的地球在宇宙中应该也不是的。那么，我们的地球在宇宙中应该也不是唯一的！唯一的！生物学定律：是否也是放之宇宙而皆准？水是地球生命所必须的，宇宙中的所有水是地球生命所必须的，宇宙中的

2、所有生命形式都需要水吗？生命形式都需要水吗？DNA DNA分子是生命的唯一解码吗？分子是生命的唯一解码吗？生命演化一定要往高智慧的方向发展吗？生命演化一定要往高智慧的方向发展吗？或许智慧只是庞大的生命系统中某一个细或许智慧只是庞大的生命系统中某一个细小分支而已，还存在着数以百万的其他生命形小分支而已，还存在着数以百万的其他生命形式。式。目前在整个宇宙中，我们只了解地球目前在整个宇宙中，我们只了解地球上的生物学。我们还需要找到更多的样上的生物学。我们还需要找到更多的样本本或在太阳系中，或在更远的宇宙深或在太阳系中，或在更远的宇宙深处处 在太阳系内搜寻（包括火星、木星及在太阳系内搜寻（包括火星、木

3、星及其卫星等），还没有找到生命存在的迹象。其卫星等），还没有找到生命存在的迹象。现在我们将视野从太阳系转向银河系现在我们将视野从太阳系转向银河系一：一：探测系外行星的探测系外行星的5大技术大技术系外行星探测技术系外行星探测技术1：直接成像法：直接成像法 通过天文望远镜进行观测时，由于恒星过于明亮而无法发现行星。在遮挡恒星光的情况下利用红外光进行观测就可以分辨出行星。在天文望远镜上加装日冕仪，降低恒星亮度，直接拍摄行星。系外行星探测技术系外行星探测技术2：天体测量学法：天体测量学法 原理：考虑双星系统围绕它们的共同质心转动M1 M2 V1 V2 D Centre of Mass R1 R2 恒星

4、和它的行星环绕它们的共同质心转动。如果质量相等，则转动中心在两者中间；实际上，恒星质量远大于行星，所以转动中心更靠近恒星（甚至在其内部）当行星旋转时，恒星沿较小的轨道旋转，但两者的轨道周期相等 恒星轨道的大小取决于行星的质量和两者之间的距离。大质量行星（如木星）使恒星的运动显著。行星越靠近恒星，则恒星的摆动越大 所以，原则上即使看不到行星，我们也能从恒星的运动得知行星的存在天体测量学天体测量学 Astrometry 天体测量学：高精度测量恒星在天球上的位置移动 通常被认为是天文学中最枯燥最令人厌烦的学科：年复一年地监测某颗恒星在天球上的位置来搜索它的摆动 测量恒星的微小摆动非常困难，已有几十年

5、的历史行星对其母恒星的运动轨迹所造成的干扰How can we use this?如果观测到一个恒星在做某种轨道（反射）运动，我们可以确定 恒星运动的轨道周期 恒星运动的轨道速度 由此可以确定引起反射运动的天体（行星）的质量和其到做反射运动天体（恒星）的距离系外行星探测技术系外行星探测技术3：视向速度法：视向速度法Here is their latest data on 51 Peg-not much doubt about this wiggle!多普勒效应发挥威力多普勒效应发挥威力 视向速度测量 radial velocity measurements：应用多普勒效应高精度测量恒星靠近或远

6、离我们的速度（即恒星的视向运动）由多普勒效应得到恒星的反射运动的精度远远高于天体测量方法 绝大部分系外行星由此方法间接发现系外行星探测技术系外行星探测技术4：行星掩食法：行星掩食法 当行星运行到恒星前面时，会遮挡很小一部分恒星光，而使得恒星周期性地变暗事实上并未看到行星系外行星探测技术系外行星探测技术5：微引力透镜法：微引力透镜法 当一颗恒星及其行星从远处背景恒星前经过时，引力透镜效应增强背景恒星的亮度，从而能够显示恒星及其行星的存在 b二：系外行星早期探测的曲折历程二：系外行星早期探测的曲折历程 早期的系外行星探测利用天体测量学技术 1969年，van de Kamp 声称探测到了一个很近的

7、矮星 Barnards Star（巴纳德星）的周期摆动：由两个木星质量大小的行星引起，一个轨道周期为12年，另一个26年 人们质疑：如何仅用10年数据得到12年或26年的摆动周期？并且也没得到进一步确认 此结果虽广为流传，但是相信它的人越来越少 1983年，Harrington 等声称发现 star VB8 更大的摆动。这一次引起摆动的行星质量必须很大,估计为木星的50倍 两年后，McCarthy 声称真正观测到了这颗行星：利用斑点干涉测量法（speckle interferometry）过滤掉明亮的恒星光 许多人企图重复他们的结果，都未成功“是不是外星人意识到地球人在注视他们而隐藏起来了？”

8、结果是，寻找系外行星在天文界变得臭名昭著多普勒效应成就了地球人的梦想！多普勒效应成就了地球人的梦想！如果恒星有行星绕转，恒星则会前后摆动，因此恒星的辐射波长会周期性地变大和变小 但是，波长变化很小，木星对太阳的影响为大约10米/秒，对其它行星则更小 当时世界上最好望远镜的多普勒测量精度大约是100米/秒（？）相对地，脉冲星的脉冲到达时间的周期性提前和延迟更容易捕捉艰苦而迟缓的观测工作艰苦而迟缓的观测工作 大多数人放弃了多普勒效应这种技术，因为要求的精度比大多数人所能得到的精度要高1000倍之多！但仍有少数不被天文界注意的小组孜孜不倦数十年来提高这种技术的精度，降低测量误差 补偿望远镜温度变化所

9、产生的误差 模拟并改正大气条件变化（最困难，自适应性光学）逐步改进仪器和数据分析技术 到了1995年.瑞士天文学家马约尔（Mayor）和奎洛兹（Queloz）令世人惊骇地宣布第一颗真正的系外行星找到了！第一颗真正的系外行星找到了！几十年的辛勤工作，多普勒测量技术提高到惊人的每秒几米的精度！但仍然不足以找到像木星这样的行星，所以它们并不奢望发现行星 他们只是希望发现环绕邻近恒星转动的矮星或褐矮星 但有一特殊恒星，51 Pegasi(飞马座)（类似于太阳的正常G 型星），的确在行为奇怪地第一颗系外行星真奇怪第一颗系外行星真奇怪 飞马51恒星视向速度变化超过100米/秒，周期4.2天。速度变化大的两

10、种可能：either by something massive(a dwarf star?)orbiting far away from 51 Peg from something smaller(like Jupiter?)orbiting very close in 无论哪种情况，如此快速的轨道运动（周期4.2天）说明这个天体不仅小而且十分靠近51 Peg!这个不可见的天体质量约为木星的一半（两倍土星，但它环绕51 Peg 运动的距离仅有 0.05 AU:比水星到太阳的距离还要近8倍左右！-=依然怀疑主导依然怀疑主导 激动人心！第一颗系外星系找到了 毋容置疑，除了媒体没有人真正相信 May

11、or and Queloz 的结果 我们已多次知道寻找日外行星是痴心妄想；数据如同垃圾 这类行星（大质量木星比水星还要靠近恒星）没有什么意义。我们认为我们理解了行星是如何形成的，因此这类行星没有权利存在（迁移？）但是接着来自旧金山一个没有名气大学的两个来自旧金山一个没有名气大学的两个没有名气的天文学家没有名气的天文学家 Geoff Marcy（马西）和（马西）和 Paul Butler 也庄严地也庄严地 宣布宣布确认第一颗系外行星的身份确认第一颗系外行星的身份 多年来Paul Butler and Geoff Marcy也在提高多普勒效应测量的精度 对环绕G-type stars的矮星多年巡天

12、，得到大量数据，但没有分析，因为他们的精度和Mayor and Queloz的类似，精度太差不会发现木星之类的天体。所以不奢望发现行星 当耳闻Mayor and Queloz的结果后，他们开始分析自己的数据。碰巧他们也观测了51 Peg,并发现该恒星的摆动与Mayor and Queloz发现的完全一致 两个小组能够发现如此小的摆动是因为这颗行星太靠近恒星了。假如把它放得远一点，例如木星的位置（5 AU），则恒星摆动会变得小得观测不到！三：系外行星的统计特征：三：系外行星的统计特征：与太阳系大不同与太阳系大不同 质量大，距恒星近热木星质量大，离恒星近质量大，离恒星近 十分奇怪的行星：相当大，大

13、于土星，有些甚至大于木星（太阳系老大也相形见绌！）这些大质量行星非常靠近它们的恒星！但在太阳系，大质量行星由气体组成，位于外太阳系Earth Jupiter Our Solar System Hot Jupiter Systems?轨道椭轨道椭 大多数日外行星的轨道非常椭，明显不同于太阳系Us Them Bigger Telescopes Since 1995,the planet searchers have been able to use bigger telescopes美国宇航局的三大行星探索计划目标是：寻找美国宇航局的三大行星探索计划目标是：寻找像地球这样的外星世界。像地球这样的外

14、星世界。开普勒计划（开普勒计划（KeplerKepler）：将首次系统地搜寻类）：将首次系统地搜寻类地行星。地行星。空间干涉测量项目（空间干涉测量项目（Space Interferometry Space Interferometry MissionMission，SIM)SIM)：将寻找近距类地行星，并测量它们：将寻找近距类地行星，并测量它们的质量和轨道。的质量和轨道。类地行星搜索者（类地行星搜索者（Terrestrial Planet FinderTerrestrial Planet Finder，TPFTPF）：探测近距类地行星，分析其化学组成以寻找）：探测近距类地行星，分析其化学组成以

15、寻找生命迹象。生命迹象。此外还有詹姆斯此外还有詹姆斯-韦伯空间望远镜（韦伯空间望远镜（James Webb James Webb Space TelescopeSpace Telescope，JWSTJWST）：探索行星形成之谜。）：探索行星形成之谜。开普勒计划开普勒计划 当行星公转时，会周期性地遮挡在恒星当行星公转时，会周期性地遮挡在恒星之前，使恒星的亮度变暗。开普勒项目将根之前，使恒星的亮度变暗。开普勒项目将根据这一原理来搜索类地行星。开普勒预期将据这一原理来搜索类地行星。开普勒预期将发现首个类地行星，并研究大约有多少比例发现首个类地行星，并研究大约有多少比例的恒星拥有类地行星。开普勒空间

16、卫星于的恒星拥有类地行星。开普勒空间卫星于20092009年年4 4月发射。月发射。20112011年底已经有类地行星年底已经有类地行星的报道。的报道。SIMSIM（空间干涉测量计划）（空间干涉测量计划）探测方法：测量由行星的引力作用所探测方法：测量由行星的引力作用所引起的主恒星摆动。引起的主恒星摆动。目标：发现首个类地行星，并确定其目标：发现首个类地行星，并确定其质量和轨道。质量和轨道。类地行星搜索者（类地行星搜索者（TPFTPF）与达尔文计划）与达尔文计划(Darwin)(Darwin)均均是拍摄太阳系以外的是拍摄太阳系以外的“地球地球”。威力强大的威力强大的“太空巨眼太空巨眼”能屏蔽恒星

17、的强光，能屏蔽恒星的强光，捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。捕捉到黯淡的地球尺度大小的行星。特殊的光学设计：能使星光减弱到十亿分之一。特殊的光学设计：能使星光减弱到十亿分之一。光谱研究将揭示行星大气中诸如二氧化碳、水光谱研究将揭示行星大气中诸如二氧化碳、水蒸气、臭氧和甲烷等气体的相对含量，由此来衡量蒸气、臭氧和甲烷等气体的相对含量，由此来衡量行星的可居住性。行星的可居住性。地外生命与文明的探索 太阳系中的生命探索 人类的家园地球 地球上的生命来自陨石和彗星？火星：最热闹的搜寻目标 土卫六泰坦（Titan）：类似地球的大气 木卫二欧罗巴（Europa）：地貌，可能的地下海洋 土卫二（Encelad

18、us）：可能的地下海洋 金星：可能曾经拥有海洋 在寻找外星生命时，应该超越以地球生命为依据而形成的对生命形态的思维定式？搜寻地外智慧生物（SETI）20世纪50年代，射电望远镜分辨率（波长）的提高，导致对外星智慧和文明的幻想和寻找 搜寻地外智慧生物 SETI（Search for extraterrestrial intelligence）：分析来自宇宙的射电信号，确认是自然过程产生的信号还是经过智慧生物加工过的信号。结果除了取得信号处理技术成就外，一无所获，但发现和理解了宇宙射电信号的性质（类星体的发现）与外星人的通讯频率 能穿过地球和外星文明所在星球的大气层，且避开宇宙背景的无线电辐射的干

19、扰 1400兆赫兹频率附近，宇宙背景噪音很小 中性氢(H)的21厘米谱线和氢氧基(OH)的18厘米谱线“水洞”搜寻地外文明的奥兹马计划，始于1960年 NRAO 25米射电望远镜21厘米：波江座星和鲸鱼座星 两台更大口径射电望远镜在21厘米：660颗类太阳恒星 美国“高分辨率微波巡视”计划：阿雷西博305米射电望远镜，100光年以内的约1000颗类太阳恒星 1971年NASA提出“赛克洛普斯”计划：1026面百米级直径的天线阵列，分布在几十千米范围1972-1973年“先驱者”10和11号携带的向宇宙人致意的信件1974年用阿雷西博305米射电望远镜向武仙座M13球状星团（距离2.4光年）智慧

20、生物发射电报1977年“旅行者”1和2号携带的“地球之音”唱片地外生命的可能性：星际有机分子星际有机分子 天文观测发现宇宙的星际空间存在着大量的有机分子，由氢、氧、碳、氮、硫、硅等元素构成。前4种元素是组成生命单元的细胞的蛋白质和DNA的最基本的元素。DNA是细胞核中的一种复杂的分子，储存了生命个体过程的信息。发生着孕育生命进化的过程。尽管构成生命的基本元素在宇宙中到处存在，但生命的形成和演化需要适宜的外部自然环境。文明社会的估计德雷克公式（1961）R：银河系中的恒星诞生率Fp：拥有行星系统的恒星概率Ne：适合生命居住的行星平均数Fl：可居住生命并出现生命的行星的概率Fi：有生命的行星系统中出现智慧生命的概率Fc：有智慧生命的行星系统中有能力进行星际通讯能力 的概率L：文明社会的寿命N：银河系中有文明社会的总数:1000万？10万？地外文明是严肃的科学问题地外文明是严肃的科学问题 地外文明是人类长期以来极其关注的话题 大量有关外星人的科幻电影和小说，把地外文明表现得淋漓尽致 地球之外是否有生命？是一个严肃的科学问题、哲学问题，一个需要思考和探索的问题 偶然 PK 必然 探寻宇宙中各种生命形式，不仅仅是为了寻找我们在宇宙中的同伴，更是为了了解地球生命的起源，更好地了解人类自己也许寻找地外生命与智慧生物是地球人的终极目的！