技术进步使系外行星观测更加清晰

日臻成熟的技术使天文学家能够更容易地拍摄遥远行星的照片,而不是间接推断它们的存在


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2008年末,两个团队同时宣布他们已经成功直接拍摄到围绕遥远恒星(也称为系外行星)运行的行星,引起了轰动。尽管在银河系中已经发现了数百颗围绕类太阳恒星运行的系外行星,但它们都是通过间接手段发现的——天文学家通过观察行星伴星在其母恒星上引起的亮度变暗效应或引力摆动来推断行星的存在。在少数其他情况下,人们观察到一颗候选行星靠近恒星,但尚未证实它遵循类行星轨道。

2008年,对围绕北落师门星和HR 8799恒星运行的两个行星系统的开创性观测依赖于该领域一些最强大的天文台——北落师门星团队使用了环绕地球运行的哈勃太空望远镜;HR 8799是由夏威夷的凯克望远镜和双子座北望远镜发现的,它们是地球上最大的天文台之一。现在,4月15日出版的《自然》杂志上的一篇论文表明,借助技术辅助,观测时间更充裕的小型望远镜也可以发现像HR 8799这样的系统。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)更重要的是,改进的技术还应该使凯克等更大的天文台能够从已经成像的少数几颗巨行星(所有这些行星都以相对较远的距离绕其主恒星运行)转向更靠近的、更像我们自己行星的世界。(许多位于极近轨道的行星是通过间接手段发现的;而温带,即所谓的“金发姑娘带”,那里可能存在类似地球的行星,已被证明是最难以捉摸的。)

直接对行星进行成像的挑战在于,行星反射或发出的微弱光线与恒星的强烈输出相比相形见绌,而且两者在星际距离上显得非常靠近。“我们的想法是在明亮的恒星附近获得非常高的对比度,”研究报告的合著者、位于加利福尼亚州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室的天体物理学家Eugene Serabyn解释说。“你真的必须把一切都做好,因为如果你要寻找一颗地球,你寻找的东西只有恒星的百亿分之一。”

因此,天文学家使用自适应光学技术,其中可变形镜片校正大气畸变,并使用称为日冕仪的仪器来阻挡星光。但最原始的日冕仪可能会带来并发症。“通常,人们会在恒星落下的地方放一个黑点,如果找不到更好的词来形容的话,”Serabyn说。“所以你挡住了恒星的中心部分,而恒星周围的东西则通过了黑点。”但是这个点遮蔽了恒星的近距离区域,而近距离轨道行星将位于那里,并引入了衍射效应。因此,Serabyn的研究小组在加利福尼亚州帕洛玛天文台的海尔望远镜的一个小规模部分(称为子孔径)上安装了一种相对较新的仪器,称为涡旋日冕仪

涡旋日冕仪不是依赖于与目标恒星对齐的不透明点,而是移动入射光波的相位,从而在图像中心(星光落下的地方)创建一个奇点或独特的点。然后,这个相移光的中心点通过透镜重定向到图像的外部,在那里它可以被屏蔽掉,最终图像的中心只留下行星光。

借助安装在1.5米海尔孔径上的涡旋日冕仪,研究人员能够探测到HR 8799系统的三颗先前已知的行星。由于这些行星与它们的主恒星距离遥远,因此成为良好的成像目标。HR 8799系统中三颗已知行星中最靠近的一颗行星的轨道距离在我们的太阳系中会将其夹在天王星和海王星之间;最远的一颗行星的轨道距离会使其远远超出冥王星。Serabyn表示,在演示了该方法对宽轨道行星的有效性后,他希望在更大的望远镜上应用该概念,以寻找更靠近其恒星的世界。“我认为我们会做得更好,因为我们将获得两全其美的好处,”他补充道。

Christian Marois是加拿大国家研究委员会赫茨伯格天体物理研究所的天文学家,他在2008年领导了在10米凯克望远镜和8.1米双子座北望远镜上对HR 8799的研究,他说“能够仅用1.5米孔径看到所有这三颗行星真是太了不起了。”Marois是一个致力于在智利8.1米双子座南望远镜上建造类似的高科技行星成像仪的小组的成员,并且很高兴看到Serabyn团队的概念验证。“我相信他们可能是第一个将所有部件组合在一起用于高对比度成像仪器的团队,”他补充道。

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