行星猎手新成员

Amateur Astronomer - - CONTENTS - □ 洪 滔

2017年11月,在欧南台(ESO)位于智利北部的帕拉纳尔天文台,一个新设备成功借助甚大望远镜(Very Large Telescope)完成了它的第一次观测,这就是岩质系外行星中阶梯光栅摄谱仪(Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations,简称ESPRESSO)。它将主要把焦点集中在系外行星的母恒星身上,通过前所未有的高精度对母恒星的光变情况进行仔细观察。而且它还是首个同时将全部四个VLT望远镜的数据汇集到一起进行分析处理的设备,这意味着它将达到一个16米望远镜的集光能力。ESPRESSO的覆盖波段在380-686nm,是一个高效、高分辨率,且极其稳定和精确的摄谱仪,其目前的主要科学目标为: 1.通过高精度地测量类太阳恒星的视向速度,进而寻找系外岩质行星。2.测量物理常数随着时间的变化(如,精细结构常数等)。3.观测、分析近邻星系中恒星的化学成分。近年来,行星系统的形成和演化以及寻找系外行星一直是天文学最为火热的研究方向之一,其中以视向速度观测法为目前系外行星探测中最为高效的形式。在众多目标天体中,小质量的行星(地球质量量级的)尤其被天文学 家所青睐,但由于其质量小所以观测难度也更高。所以, ESPRESSO的出现担负着非常重要的责任,这也是它最重要的科学目标所在。这台全新的第三代中阶梯光栅摄谱仪,正是之前大家所熟知的行星猎手HARPS(High Accuracy Radial Velocity Planet Searcher)的继任者。作为世界上能用于视向速度法搜寻系外行星的最精密的仪器之一,HARPS在拉西亚天文台3.6米望远镜上成功运作,在2014年就产出71篇论文,至今已经探测到超过130颗系外行星,备受全世界天文学家的关注,它已经毫无疑问地成了拉西亚天文台近年来最高产的设备。在它为欧南台取得巨大突破后,天文学家更加急切地希望继任者ESPRESSO能借助更大口径的望远镜投入工作,再次振奋广大系外行星及相关课题的研究人员。HARPS目前测量速度能达到的精度大约是1米/秒(在此精度上,能发现大部分质量在海王星上下的行星),而新上任的ESPRESSO的目标精度将至少达到0.1米/秒的级别(在此精度上,能发现围绕小质量恒星运动的,处于宜居区中的类地球质量的行星),这巨大的跨越一方面要归功于技术水平的进步,另一方面也是因为后者被安装在了更大的望远镜上。ESPRESSO能帮助天文学家寻找那些更加暗弱天体的微小运动,根据估计将会发现更多质量小于海王星的系外行星。ESPRESSO项目的首席科学家弗朗西斯科·佩佩(Francesco Pepe,来自瑞士日内瓦大学)认为这个继任者非常重要,“这项成就归功于众多科研工作者超过十多年来的辛苦工作。ESPRESSO不仅是前一代观测设备HARPS的替代者,而且是一个具有更高分辨率和更高精度的,可以进行转换的设备。区别于之前的观测设备,它将可以充分利用VLT全部的集光能力,通过同时使用VLT的四架望远镜,它将能比肩一架16米的望远镜的观测能力。估计起码在十年之内,它都将是无与伦比的。现在我们一心只想用它尽快找到第一颗属于我们的岩质行星。”在天文学家寻找系外行星时,由于行星相对于母恒星来说光度差异过大,往往因为非常暗弱会在观测时淹没在母恒星的光芒之中。所以天文学家并不会直接观测,而是常用间接的方法,主要为凌星法和视向速度法。所谓凌星法,是指观测者、系外行星以及母恒星三者位置恰当时,当行星运行到母恒星之前挡住了母恒星的光,发生“凌”这一现象,然后观测者通过对亮度变化的

观测和分析,得出行星大小及轨道的信息。不过,另一种更常用而且更高效的方法是视向速度法。这也是新一代行星猎手ESPRESSO所使用的方法。作为恒星和围绕其运动的行星来说,实际上它们之间是被引力束缚在一起的。那些遥远的系外行星系统其实和我们的太阳系没什么差别,就像我们地球围绕着太阳公转一般。仔细观察、分析就会发现,当较小的行星围绕较大的母恒星运动时,小小的行星也会悄悄地把恒星向着自己拉拽,因此行星和母恒星构成的系统的重心其实已经并不在母恒星的中心了,而是位于母恒星和行星之间。天文学家通过观测围绕母恒星运动行星的自身引力对母恒星产生的影响(一般会使母恒星产生轻微的摇摆)来发现系外行星。当一个天体在沿着我们观测的视线方向上出现规律运动时,就会在其光谱上留下“蛛丝马迹”,这种光谱中出现的微小位移也被称为多普勒效应。利用光谱仪精确测量母恒星光谱中出现的红移和蓝移随时间的变化,天文学家就能得到其沿视线方向运动的速度和时间曲线,通过进一步拟合就能得到行星的相关信息。这其中的关键在于精确测量每条光谱的红移和蓝移,而ESPRESSO就能精确探测到被行星围绕着的恒星光谱的微小变化。由于这种母恒星的晃动摇摆来源于行星的引力,所以对于质量越小的行星来说,对母恒星产生的晃动也相对越小。由此可见,如果天文学家想要寻找可以承载生命、质量适合的岩质行星的话,观测设备的高精度将是必不可少 的。ESPRESSO将基于这种方法,结合其自身的高精度来帮助我们寻找那些比之前发现的质量更小的系外行星。对于在恒星光谱中出现周期性红移和蓝移的细节,利用灵敏的ESPRESSO天文学家就能捕捉到这些微小而又关键的线索,从而筛选出系外行星的候选体。视向速度法能帮助天文学家测定系外行星的质量和轨道信息。并且通过与凌星法等其他方法相结合,还能推测出其他更多信息,比如系外行星的大小和密度等。因此,我们能在观测不到暗弱行星的情况下,间接通过对母恒星的细致监测发现系外行星的动向。通过对母恒星光谱非常精确地测量,进而分析摆动的周期和幅度,就能发现系外行星是否存在,并测得其轨道周期和质量。在试观测阶段,这位新一代的行星猎手把目光暂且放在恒星和已知的行星系统上。通过与之前HARPS已有数据的比较,研究人员发现ESPRESSO能在明显较短的曝光时间里,获得同样质量的数据。欧南台研究仪器的科学家库尔托(Gaspare Lo Curto)对此表示非常高兴,“ESPRESSO的产生是个伟大的成就,它凝聚了欧南台里各个不同领域和团体的心血,工程师、天文学家和管理人员的通力合作造就了它。这些人们不仅仅是安装了一台摄谱仪,而且利用非常复杂的光学系统将4个独立的VLT望远镜联合了起来。”虽然ESPRESSO的主要目标是要在系外行星寻找上更上一层楼,寻找更多小质量的系外行星,并测定它们的大气环境,但是除此之外它还可以应用在很多其他方面。对于精细结构常数,质子与电子的质量比等这类与红移相关函数有关的常数,通过对它们的精确测量,可以进一步帮助天文学家分析这些标准物理学模型中的常数是否会随着宇宙的演化而发生变化。ESPRESSO将是世界上检测并判断从早期宇宙至今,物理常数是否已经发生变化的最有利的工具。这些常数非常微小的变化已经被一些基本物理理论预言了,但是一直都缺乏令人信服的观测结果,或许ESPRESSO将会为我们带来惊喜。另外,ESPRESSO这种高效率、高分辨率的观测方式也将帮助我们以前所未有的精度对其他星系中恒星的化学组成进行测量和收集。希望这杯“意式浓缩咖啡”(注,ESPRESSO在英文中也指意式浓缩咖啡)会使天文学家在系外行星光谱研究以及系外行星寻找等方面“精神一振”!目前,高分辨率蝇眼宇宙线探测器(HIRES)也正在设计阶段,它将与欧南台的特大望远镜一起工作,力图探测和辨认质量和体积都更小的系外行星,寻找那些更加接近我们地球大小的遥远星球。并且通过研究系外行星的大气情况,为将来探测和确认其他岩质行星上的生命信号提前准备。

这幅五彩纷呈的图片实际上是光谱,其中的具体数据来源于安装在智利甚大望远镜上E S P R E S S O的初次观测。遥远的星光穿过广袤宇宙被天文学家接收到,然后被光谱仪分散成不同的组分。这幅图片经过了色彩调整,以便我们能更清晰地分辨图片中各个不同的波长以及它们的依次改变,但这些颜色并不代表真正能看见的色彩。图片来源:E S O /E S P R E S S O team

左上:在2017年11月,E S P R E S S O成功完成了它的第一次观测。这架设备将利用超高精度的观测能力,把视线聚焦于系外行星系统中的母恒星,通过观测母恒星亮度的微小变化,来帮助天文学家寻找系外行星。图中正是它获得的第一幅原始光谱数据,目标天体是鲸鱼座T星。图片来源:E S O左下:图中是一个被安装在E S P R E S S O 设备上的C C D 探测器样品。这个巨大的C C D尺寸为92×92毫米,高达8000万像素。图片来源:ESO/ESPRESSO Consortium...

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