探索其他星球的宜居性

[ 录入者:Melipal | 时间:2016-02-06 19:22:40 | 作者:Melipal 译 | 来源:MPS | 浏览:3510次 ]

原文标题:The habitability of other worlds

原文来自:Max-Planck-Gesellschaft   Posted: 2016. 1. 14

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

新的方法让人们可以精确地测量恒星的引力以及系外行星的大小。

我们在一颗行星上的体重取决于星球的表面重力。重力对于恒星来说也是个重要参数,而且这个参数在恒星一生之中会出现剧烈变化,由此就提供了恒星年龄和演化阶段的信息。由于夜空中的恒星看上去只是一个小光点,这个参数是非常难以测量的。由来自哥廷根市(Göttingen)马克斯·普朗克太阳系所、维也纳大学以及加拿大、法国和澳大利亚的研究者组成的一个科学小组现在开发出了一种新的方法,可以用于测量远方恒星表面的重力,精度达到了百分之几。它还可以更好地确定系外行星的尺度和宜居性。

图表中的恒星:一颗恒星的声学振荡以及对流运动所需的典型时标可以给出其表面重力的信息。左下角的恒星与我们的太阳类似,有着很强的重力以及较短的振荡和对流时标。随着年龄的增长,这些恒星的时标日益增长,因此重力变弱。在这一过程中,恒星的直径会发生剧变。在图中的右上角是红巨星,它们的尺度大约是太阳的50倍。(图片版权:Thomas Kallinger)

近年来,天文学家已经发现了数千颗环绕远方恒星运行的行星(系外行星),这其中的大多数都是使用凌星法发现的。这一方法搜索的是恒星亮度在行星从前方通过期间发生的变化。在这样的过程中,行星会遮掩部分星光。行星的尺度可以根据光变曲线导出,不过由此只能得到行星相对恒星的大小。

举例来说,为了查明某颗新发现的行星与地球是否相似,还是说它是类似木星的气态巨行星,研究者必须要获取主星特性的精确信息。主星的尺度(进而是行星的尺度)可以根据引力作用求出。

直到现在,人们只针对很少几颗相对较明亮的恒星进行过精确的重力测量。天文学家现在在《科学进展》杂志上报告称,新的方法让他们可以以几乎稳定的精度确定暗得多的恒星的表面重力。

这一方法使用了星光中最小的亮度变化。虽然夜空中星辰的亮度乍看上去是恒定不变的,但它们其实存在可以测量的变化:恒星内部声学振荡会改变星光辐射的数量,而对流运动(高温气体泡上升,然后在冷却后再度下沉的过程)亦然。

这两类现象都会受到恒星表面重力的影响。因此它们可以用于重力测量,而重力又取决于恒星的质量与半径。

来自维也纳大学的第一作者托马斯·卡林格(Thomas Kallinger)解释说,为了观测这样的现象,我们不一定非要瞄准太空。我们只消看一看在厨房里发生的事情:“如果用锅来烧水,那么可以看到水从锅底扬起到表面,而它传输的热量被转移到了空气中。这团液体再度下沉,重新开始整个过程。”

这样的能量传输过程叫做对流。它还在太阳表面之下的区域发生着,类似地也在银河系中大多数恒星上存在。

为了能够研究恒星的声学振荡与对流运动,我们需要在长时间内监测其亮度的短时标变化。将测量到的亮度值相对时间描绘出来,就得到了光变曲线。

现有测量恒星重力的最精确方法是对恒星的振荡(因此也就是光变曲线)进行详细的分析。但是这一方法只能适用于振荡从背景噪声中凸显而出的那些恒星。但是这些恒星通常都是亮星,因此数量相对较少。

更常见的情况是,天文学家必须要应付不太亮的恒星,它们的亮度并不足以进行详尽振荡分析。它们的光变曲线噪声要高得多,这是由于决定信噪比的众多因素包括恒星的亮度。恒星亮度越低,则抵达探测器的信号就越弱,处理难度也就越高。对于拥有大量噪声的光变曲线来说,我们无法分离出单独的振荡频率,因此经典方法是不适用的。

研究者将新的方法称作自相关函数时标法(Autocorrelation Function Timescale Technique),简称为时标法。现在它可以让研究者凭借噪声很强的光变曲线,确定出暗星精确的重力值。

天文学家为了抑制长周期信号(举例来说,它们可以来自恒星的磁场,并不直接受表面重力的影响),要对光变曲线进行滤波。随后根据滤波后的光变曲线,就可以确定出对流和脉动导致的典型时标了。

这一方法是在所谓高通滤波器的帮助下实现的。这种滤波器可以筛掉数据中的长周期信号。滤波器的频率要选择得当,保证待测信号不会被一并过滤掉。这一过程的目的是除去所有不直接与引力相关的周期性信号,例如源自恒星自转的信号。

这一方法的精度在4%左右。作为比较,迄今唯一可以用于暗星的方法只能提供提供25%左右的精度。

研究者认为,这一方法有很大的应用前景。举例来说,当前的开普勒空间望远镜正在借助凌星法来搜索系外行星,在此期间获得了数以十万计的高精度光变曲线。未来的任务,如PLATOTESS等,也将使用同一方法。

在此过程中,它们将观测数百万颗恒星,而我们可以使用新的方法来研究它们所处的演化阶段以及可能拥有的任何行星。

来自哥廷根市马克斯·普朗克太阳系所的合作者萨斯基亚·海克尔(Saskia Hekker)说:“新的方法为我们提供了恒星参数的精确数据,而我们正需要这些参数来确定恒星的结构与年龄。针对单颗恒星得出的结果也将是非常实用的,可以让我们更好地了解银河系。”

(全文完)

Tags:宜居性 系外行星 星震

责任编辑:Melipal

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