韦布发布系外行星照片 找到另一地球的希望大了(图)

大鱼新闻 科技 2 months, 2 weeks

2022年9月2日凌晨,韦布空间望远镜(James Webb Space Telescope,以下简称“韦布”)拍摄的第一张系外行星图像被公布,如下图。这颗系外行星的编号为“HIP 65426 b”,它围绕一颗编号为“HIP 65426”的恒星公转。



数字化巡天(DSS)拍摄的恒星HIP 65426所在的天空中的群星(上方大图)与韦布拍摄的围绕这颗恒星运转的系外行星的图像(下方小图)。4张小图拍摄的是这颗行星平均波长分别为3.067微米、4.397微米、11.307微米与15.514微米的波段上的图像。白色五角星表示恒星所在的位置,恒星自身发出的光被设备屏蔽了。图中出现的棒状图像由仪器衍射效应引起,并非真实图像。

图片来源:DSS;NASA/ESA/CSA, A. Carter (UCSC), the ERS 1386 team, and A. Pagan (STScI)


上图中的大图显示了被拍摄的行星所围绕的恒星所在的位置。4张小图分别是韦布的近红外相机(NIRCam)与中红外设备(MIRI)拍摄的HIP 65426 b的4个波段的图像。

有些读者可能会说:“咦,今年7月份被公布的韦布的第一批图片里不是有系外行星的图片吗?”没错。但那两张系外行星的图片并不是“图像”,而分别是“光变曲线”与“光谱”。而且,它们都是恒星在受行星影响之后显示出的光变曲线与光谱,而不是行星自身的。

此外,哪怕直接测量了行星自身,测量光变曲线只是相当于测量了一个人的手腕体温随着时间的变化,测量光谱也只是相当于测量了它某一时刻全身不同部位的体温,但却没有给这个人拍摄证件照。

这次,韦布拍摄的恰是一颗系外行星的“证件照”。这是韦布首次拍摄系外行星的图像。虽然它并不是人类获得的第一批系外行星的图像,但却是人类获得的系外行星在超过5微米的波长上的第一批的图像。

2022年9月8日被发布的韦布空间望远镜的纪念邮票

图片来源:U.S. Postal Service


系外行星“动物园”

我们太阳系内的八大行星就是“太阳系内行星”,我们可以将它们简称为“系内行星”,但我们一般直接称呼它们为“行星”。在太阳系外的行星自然就是“系外行星”。我们将系外行星围绕的恒星称为它们的“母恒星”。

系外行星一般以如下方式命名:如果母恒星只有1颗行星,就在母恒星的编号后面直接加b;如果有2颗或更多颗行星,就继续使用c、d、e……

这次韦布拍摄的系外行星,母恒星为HIP 65426,因此其编号为“HIP 65426b”;此前韦布探测过的那颗系外行星的母恒星为WASP-96,因此它的编号为“WASP-96b”。

从1992年人类确认第一颗系外行星,到2022年9月6日,人类共确认至少5471颗系外行星,它们处于至少3811个类似于太阳系的系统中,其中拥有不少于2颗行星的系统至少有833个。[注1]

我们知道,太阳系内虽然只有八大行星,但却可以被分为三类:水星、金星、地球与火星属于岩石行星,木星与土星属于气态巨行星,天王星与海王星属于冰巨行星。



太阳与太阳系内的八大行星的“全家福”。从左到右依次是:太阳(部分)、水星(Mercury)、金星(Venus)、地球(Earth)、火星(Mars)、木星(Jupiter)、土星(Saturn)、天王星(Uranus)与海王星(Neptune),各天体的大小与相互之间的距离未按照比例显示。

图片来源:twinkl

系外行星的类型比太阳系内的行星更多样化。有的系外行星像地球,但质量却比地球大好几倍,因此属于“超级地球”;有的系外行星像木星,但因为距离母恒星太近,温度比木星高得多,因此属于“热木星”。它们的质量分布也很广,有的质量比木星大得多,因此属于“超级木星”,有的质量只是月球质量的2倍。



一些被确认的“超级地球”的艺术想象图合集以及它们与地球的大小比较。

图片来源:NASA/AMES/JPL-CALTECH



哈勃空间望远镜(HST)观测过的25颗热木星的艺术想象图合集。

图片来源:ESA/Hubble, N. Bartmann


虽然从科研的角度来看,每一种系外行星都有其独特的价值。但在这个丰富的系外行星“动物园”中,人类最感兴趣的还是那些温度适宜、表面可以产生液态水,且大小类似于地球的“宜居行星”。

如何发现系外行星?

发现系外行星的难度非常大,因为恒星自身的亮度常常远超其行星的亮度。要想直接看到系外行星,难度相当于在几千千米之外看篝火旁边的萤火虫。

然而,随着科技的发展,人类在1992年首次发现了系外行星。它们是两颗围绕中子星公转的行星,发现者是沃尔兹森(Aleksander Wolszczan,1946-)与弗雷尔(Dale Frail,1961-)。

1995年,人类首次发现围绕主序星公转的系外行星,发现者麦耶(Michel Mayor,1942-)和奎洛兹(Didier Queloz,1966-)获得了2019年的诺贝尔物理学奖。主序星指的是内部只发生氢聚变的恒星,我们的太阳就是一颗主序星。



从1991年到2022年3月间,人类发现的系外行星的累计数目与每年被发现的系外行星的位置(图中小圆圈内)的动图。2022年的数据还在不断被更新,因此当前的总数已经超过图中显示的5005。

图片来源:NASA/JPL


到现在为止,天文学家已经发展出多种发现系外行星的间接或直接的方法,最主要的有以下4种:凌星法、径向速度法、微引力透镜法与直接成像法。用这4种方法发现的系外行星约占总数的97.88%。

发现系外行星的方法

1.凌星法

凌星法的原理和水星或金星凌日现象类似。我们知道,水星或金星凌日是因为它们在某段时间内与太阳、地球成一线,从而挡住了太阳的少部分光。如果系外行星挡住母恒星发出的一部分光,就会产生“凌星”现象。对于这样的系统,由于行星周期性地围绕母恒星公转,母恒星的亮度会周期性地降低、恢复、再降低、再恢复,循环往复。



韦布测出的WASP-96的光变曲线。根据其亮度的周期性降低,可以推断出有一颗行星围绕着它运转并遮挡了它的部分光,这颗系外行星就是WASP-96b。

图片来源:NASA, ESA, CSA, STScI


凌星导致的恒星亮度的降低比例非常小,因此对仪器的测量精度有非常高的要求。使用这种方法发现系外行星的代表是“开普勒太空望远镜”(Kepler space telescope,以下简称“开普勒”)与其继任者“凌星系外行星巡天卫星”(Transiting Exoplanets Survey Satellite,TESS)。它们都具有非常广的视野,可以同时监测海量恒星的亮度变化,从而高效率地筛选出亮度发生周期性变化的恒星。天文学家根据数据来判断这样的变化是否由系外行星的凌星引起。



开普勒太空望远镜的艺术想象图。

图片来源:NASA


凌星法的优点是具有可重复性,因此可以被反复检验。至今为止,天文学家用凌星法发现了至少3925颗系外行星,约占总数的71.74%。这些被凌星法确认的系外行星中,从“开普勒”探测到的数据中确认出来的有2700多颗。

凌星法还衍生出凌星计时法。它的原理是:行星凌星的周期固定而精确。如果某颗恒星被凌星的周期不精确,就可能是另外一颗行星干扰了它的轨道,据此可以判断出后者的存在。用这个方法,天文学家发现了23颗系外行星。

2.径向速度法

径向速度法根据恒星的光谱的变化来确定恒星的运动速度,从而判断出这颗恒星是否拥有系外行星。科学家用仪器将物体(包括恒星)发出的光分解成精细的彩虹带,这就是光谱。

径向速度法的原理是:当恒星朝着地球运动时,它发出的光的波长会变短(蓝移);当恒星远离地球运动时,它发出的光的波长会变长(红移)。

如果恒星具有一颗系外行星,它就会被行星的引力拽动,与后者绕着共同的“质心”公转(如下图左),时而远离我们,时而靠近我们,它的速度会出现周期性变化(如下图右上),从而导致其光谱时而红移,时而蓝移(如下图右下),循环往复。



图中浅绿色×就是恒星与行星构成的系统的质心。右上为恒星速度的变化,右下为恒星光谱的交替性的红移与蓝移。

图片来源:homepage.divms.uiowa.edu

根据这个原理,天文学家测量出光谱红移与蓝移的程度,计算出恒星的运动速度,从而计算出行星的质量。由于恒星一般并不直接朝着地球的方向运动,其速度可以被分解为两个方向的分量:朝向地球的速度(“径向速度”)与垂直于径向速度方向的速度。

只有径向速度是可以测量的(这也是径向速度法这个名称的由来),且测量值总是小于真实的速度,所以根据这个方法计算出来的系外行星的质量只是一个下限值。

使用径向速度法探测系外行星的代表仪器之一是“高精度径向速度行星搜索器”(High Accuracy Radial velocity Planet Searcher,HARPS),它被安装在欧洲南方天文台(ESO)的口径为3.6米的望远镜上面(望远镜的口径指的是其采光镜面的直径)。



ESO的口径为3.6米的望远镜(上)与HARPS的内部结构的一部分(下)。

图片来源:S. Brunier/ESO(上);https://www.eso.org/public/teles-instr/lasilla/36/harps/(下)


至今为止,天文学家用径向速度法发现了1005颗系外行星,约占总数的18.37%。特别值得一提的是,天文学家使用这个方法,于2016年确认离太阳系最近恒星——比邻星,拥有系外行星,即“比邻星b”(Proxima b),它的质量下限略大于我们的地球。



围绕比邻星公转的行星“比邻星b”(Proxima b)的艺术想象图(右),以及它与地球的大小比较。“比邻星b”的质量仅略大于地球,它存在的证据于2013年被提出,并于2016年被确认。

图片来源:PHL @ UPR Arecibo, NASA EPIC Team


3.微引力透镜法


根据广义相对论,有质量的物体会弯曲周围的时空,光经过它们附近时,将走曲线。如果光源与地球之间存在一个质量较大的天体,且三者几乎成一直线,那么后者就会像透镜一样放大光源的亮度(弱引力透镜),甚至产生双重像或多重像(强引力透镜)。充当透镜的天体就是引力透镜。

作为弱引力透镜的天体在漂移的过程中,背景天体的亮度的放大比例会先变大、后变小,最接近三点一线或三点一线时,放大的比例最高。因此,漂移的弱引力透镜会使背景光源的亮度发生变化,使其亮度先变亮、再变暗。



微引力透镜法示意图。图中的Source star是作为光源的背景恒星,Lens star为充当透镜的恒星,Planet为充当微引力透镜的行星,Observer为观测者。

图片来源:NASA


漂移的恒星可以成为这样的弱引力透镜。如果恒星还带着一个行星,在恒星漂移的过程中,行星也对引力透镜效应做出额外贡献,导致本来光滑变化的光变曲线突然增加了一个非常窄的尖峰,这就是行星的微引力透镜效应。这样的尖峰是系外行星可能存在的信号。

至今为止,天文学家用微引力透镜法发现了212颗系外行星,占总数的3.87%。微引力透镜法的缺点是无法重复,因为恒星飘走后就不再回头,但它的优点是信号清晰。

使用微引力透镜法寻找系外行星的代表仪器是“光学引力透镜实验”(OGLE)与“韩国微引力透镜望远镜网”(KMTNet)。前者先是由一台口径为1米的望远镜执行,然后由一台口径为1.3米的望远镜执行;后者由3台口径为1.6米的望远镜执行。



位于智利Las Campanas天文台的口径为1.3米望远镜的圆顶,它被用来执行OGLE任务。图源:Krzysztof Ulaczyk


4.直接成像法

凌星法、径向速度法与微引力透镜法都是间接确定系外行星的方法。它们并不是百分百准确,有时候会有假信号。为了排除假信号,对于一部分系外行星的候选体,天文学家会尽量同时用其他方法交叉检验。

然而,即使人们用以上3种方法完全确认了系外行星的存在并推断出它们的一些基本性质,也依然无法看到这些系外行星。直接成像法可以弥补“无法看到系外行星”的遗憾。

如果母恒星的亮度与行星的亮度的比值不是非常大,且二者距离足够远,天文学家可以直接把两者都拍摄进去,如低亮度的褐矮星2M1207与围绕它运转的行星2M1207b。



VLT-1(“Antu”,意为“太阳”)于2004年拍摄的褐矮星2M1207与其行星2M1207b的近红外伪色图像,它们分别被显示为蓝白色与红色。2M1207是一颗低亮度的、质量仅为木星质量25倍的褐矮星,而2M1207b的质量是木星的3~10倍,恒星的光并不占据压倒性的优势,因此可以直接被同时拍摄到。

图片来源:ESO

然而,由于选择效应,人类更容易看到明亮的恒星,它们的亮度大大高于绕着它们转的行星。因此,天文学家必须用一种名为“星冕仪”的设备挡住恒星发出的光,从而拍摄到恒星附近行星的图像。

星冕仪的技术源自日冕仪,后者用来遮挡太阳表面发出的光,从而可以让天文学家观测日冕。日冕是太阳外层的大气,因为其形状像帽子(“冕”)而得名。虽然日冕仪与星冕仪的设计目标不同,但它们本质上都是遮蔽恒星的光,让天文学家可以拍摄到恒星周围的物质或物体。

韦布上面的NIRCam和MIRI都安装了星冕仪,因此都可以遮挡恒星发出的强光,从而直接拍摄旁边的行星。但韦布并不是第一个配备星冕仪的望远镜。

此前地面上的一些望远镜已经或曾经配备星冕仪,并用直接成像法拍摄系外行星,如口径为5.08米的海耳(Hale)望远镜、口径为10米的凯克(Keck)望远镜、口径为8.2米的甚大望远镜(VLT),口径为8.4米的大双筒望远镜(LBT),等等。它们都是此前使用直接成像法的望远镜的代表。在韦布拍摄了这批照片后,它也成为此类望远镜的代表之一。



4台VLT的合影。它们中有两台安装了可以直接拍摄系外行星的装置。

图片来源:Iztok Boncina/ESO


这次韦布拍摄的系外行星HIP 65426 b就是VLT-3(“Melipal”,意为“南十字”)上面的“光谱偏振高对比度系外行星研究”(Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research,SPHERE)项目的设备于2017年7月6日发现的(如下图),它也是SPHERE项目发现的第一颗系外行星。



VLT-3(“Melipal”,“南十字”)拍摄的HIP 65426 b的图像。图中白色十字为母恒星所在的位置,它发出的光已经被星冕仪遮挡;红色天体为HIP 65426 b的短波近红外伪色图像,白色圈的半径等于太阳系内的海王星的轨道半径。

图片来源:ESO


至今为止,天文学家用直接成像法发现了213颗系外行星,占总数的3.89%。

相关新闻