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美国宇航局的韦伯太空望远镜用来检查气态巨星系外行星的大气 ...

2018-10-30 18:18| 发布者: 鸿涛| 查看: 82| 评论: 0

摘要: 2018年4月,美国宇航局(NASA)发射了凌日系外行星勘测卫星(TESS)。它的主要目标是定位地球大小的行星和围绕着附近恒星的更大的“超级地球”,以便进一步研究。苔丝发现的最强大的工具之一将是NASA的詹姆斯韦伯太空 ...

2018年4月,美国宇航局(NASA)发射了凌日系外行星勘测卫星(TESS)。它的主要目标是定位地球大小的行星和围绕着附近恒星的更大的“超级地球”,以便进一步研究。苔丝发现的最强大的工具之一将是NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜。由于观测像地球这样有着稀薄大气的小型系外行星对韦伯来说将是一个挑战,天文学家将更容易瞄准,首先是气态的巨型系外行星。

美国宇航局的韦伯太空望远镜用来检查气态巨星系外行星的大气

这是一个艺术家对木星大小的太阳系外行星HD 189733b的想象图,它被它的母恒星所遮蔽。天文学家使用哈勃太空望远镜测量了该星球大气中的二氧化碳和一氧化碳。这颗行星是一个“热木星”,它离它的恒星如此之近,以至于它在2.2天内完成了一个轨道。就我们所知,该星球太热了,生命无法生存。但是在合适的条件下,在一个更像地球的世界里,二氧化碳可以表明外星生命的存在。这一观测结果表明,太空望远镜可以探测到化学生物示踪剂。

韦伯对气态巨星系外行星的首批观测,将通过他的“自主早期发布科学”计划(DD-ERS)进行。韦伯科学运行中心的凌日系外行星项目团队计划进行三种不同类型的观测,这将为韦伯的科学仪器提供新的科学知识和更好地理解其性能提供帮助。

“我们有两个主要目标。第一个是尽快将系外行星的数据集从韦伯传送到天文界。第二个是做一些伟大的科学,以便天文学家和公众可以看到这个天文台有多么强大,”芝加哥大学的Jacob Bean说,他是凌日系外行星项目的联合首席研究员。

美国宇航局艾姆斯研究中心的Natalie Batalha补充道:“我们团队的目标是为天文界提供关键的知识和见解,这将有助于在有限的时间内促进太阳系外行星的研究,并充分利用韦伯。”

过境——大气光谱

当一颗行星在它的主恒星前面或经过它时,这颗恒星的光就会通过这颗行星的大气层进行过滤。大气中的分子吸收一定波长或颜色的光。通过将恒星的光分解成彩虹光谱,天文学家可以探测到那些缺失的光,并确定行星大气中的分子。

为了进行这些观测,项目团队选择了WASP-79b,这是一颗木星大小的行星,距离地球约780光年。研究小组希望检测和测量WASP-79b中水、一氧化碳和二氧化碳的丰度。韦伯还可能探测到尚未在系外行星大气中发现的新分子。

相位曲线——天气图

在离恒星非常近的轨道上运行的行星往往会被潮汐锁定。这颗行星的一面永久地面对着这颗恒星,而另一面却面朝远方,就像月球的一面总是面对着地球一样。当行星在恒星前面时,我们可以看到它后面的温度更低。但是当它围绕着恒星运行时,越来越多的白天出现在视野中。通过观察整个轨道,天文学家可以观察这些变化(称为相位曲线),并利用这些数据绘制出行星的温度、云层和化学作为经度的函数。

美国宇航局的韦伯太空望远镜用来检查气态巨星系外行星的大气

美国宇航局绘制的WASP-43b系外行星不同季节的水汽分布,这颗行星轨道周期仅为20个小时左右

研究小组将观测“热木星”的相位曲线,即WASP-43b,它在不到20小时内环绕恒星运行。通过观察不同波长的光,他们可以对大气进行不同深度的采样,从而获得更完整的大气结构图像。“我们已经看到了哈勃和斯皮策在这颗行星上的戏剧性和意想不到的变化。”通过韦伯,我们将更详细地揭示这些变化,以了解导致这种变化的物理过程。

日食——一颗行星的光芒

观察系外行星时,最大的挑战是恒星的光线要明亮得多,淹没了行星的微弱光线。为了解决这个问题,一种方法是观察一颗凌日行星消失在恒星后面的时候,而不是当它穿过恒星前面的时候。通过比较这两种测量方法,一种是在看到恒星和行星时进行的,另一种是在只看到恒星时进行的。

美国宇航局的韦伯太空望远镜用来检查气态巨星系外行星的大气

WASP-18b想象图

这项技术最适用于在红外光下发光的非常热的行星。研究小组计划研究WASP-18b,这是一颗被烘烤到接近4800华氏度(2900 K)的行星,他们希望确定是否存在氧化钛、氧化钒或其他分子的同温层。

宜居行星

最终,天文学家希望利用韦伯研究可能适合居住的行星。韦伯特别将把目标对准围绕红矮星运行的行星,因为红矮星更小、更暗,因此更容易分辨出围绕红矮星运行的信号。红矮星也是银河系中最常见的恒星。

凌日系外行星调查卫星(TESS)应该在红矮星的宜居带中找到十几颗行星,其中有几颗可能是可居住的。我们想知道这些行星是否有大气层,韦伯将会告诉我们。“研究结果将在很大程度上回答这个问题,即适合生命存在的条件在我们的银河系中是否普遍存在。”

詹姆斯·韦伯太空望远镜将是世界上首屈一指的太空科学天文台。韦伯将解开太阳系的奥秘,向外观察其他恒星周围的遥远世界,探索我们宇宙的神秘结构和起源以及我们在其中的位置。

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