近距离宜居系外行星调查(CHES)可以使用天体测量法探测到距地球几十光年的系外行星

在撰写本文时,NASA 表示 5,030 颗系外行星 已在 3,772 个系统中得到确认,另有 8,974 名候选人等待确认。 使用下一代仪器,如 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 上线后,已确认的系外行星的数量和多样性预计将呈指数级增长。 特别是,天文学家预计已知类地行星和超级地球的数量将急剧增加。

在未来几年,随着使用各种方法发现的数千颗系外行星,研究系外行星的机会将大大增加。 在最近的一项研究中,由 中国科学院 (CAS) 描述了一种新的太空望远镜概念,称为 近距离宜居系外行星调查 (棋)。 这个提议的天文台将使用一种称为微弧秒相对天文学测量的方法,在大约 33 光年(10 秒差距)内的类太阳恒星的宜居带 (HZ) 中搜索类地行星。

天文学的分支被称为天体测量,通过将天体与背景参考恒星进行比较,对天体的位置和自行进行精确测量。 这种方法的例子包括 ESA 的 盖亚天文台,自 2013 年以来一直在测量银河系中 10 亿颗恒星(以及 500,000 个遥远的类星体)的运动。这些数据将用于创建我们银河系有史以来最精确的三维地图。

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艺术家对欧空局盖亚天文台的印象。 信用:欧空局

在这种情况下,来自中国科学院 (CAS) 和多个中国天文台和大学的研究人员提出了一种太空望远镜,可以对类太阳恒星进行高精度天体测量,以探测围绕它们运行的​​系外行星。 拟议中的 CHES 任务将在太阳-地球 L2 拉格朗日点(NASA 的 詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST)目前居住 – 并观察目标恒星五年。 这些目标将包括太阳系 33 光年范围内的 100 颗恒星,它们属于 F、G 和 K 类型。

虽然 F 型恒星(黄白矮星)比我们的太阳更热、更亮、质量更大,但 G 型恒星(黄矮星)与我们的太阳——一颗主序 G2V 恒星——一致。 与此同时,K 型恒星(橙矮星)比我们的太阳稍暗、更冷且质量更小。 对于它观察到的每颗恒星,CHES 将测量由绕行的系外行星引起的小的动态扰动,这将提供对其质量和轨道周期的准确估计。

CHES作为天基天文台,不会受到地球岁差和大气的干扰,能够将天体测量精确到足以落入微弧秒领域。 季江辉博士是科技大学南京市中科院行星科学重点实验室教授,也是该研究的第一作者。 正如他通过电子邮件告诉今日宇宙:

“对于一个地球质量的行星,其质量为 1 天文单位,围绕 10 pc 的太阳型恒星,由地球双胞胎引起的恒星的天体测量摆动为 0.3 微弧秒。 因此需要进行微弧秒级测量。 CHES的相对天体测量可以准确测量一颗目标星与6-8颗参考星之间的微弧秒级角距。 根据对这些微小变化的测量,我们可以探测到它们周围是否有类地行星。”

具体来说,CHES 将首次直接测量在其恒星 HZ 内运行并被认为“可能适合居住”的地球类似物和超级地球的真实质量和倾角。 吉博士说,这次任务的主要有效载荷是一个高质量的镜子,直径为 1.2 米 (ft),视场 (FOV) 为 0.44° x 0.44°。 该反射镜是同轴三反射镜消散 (TMA) 系统的一部分,其中三个曲面反射镜用于最大限度地减少光学像差。

CHES 还依靠马赛克电荷耦合器件 (CCD) 和激光计量技术在 500nm~900nm 范围内进行天体测量——包括可见光和近红外光谱。 与过境方法相比,这些能力将提供显着优势,过境方法仍然是探测系外行星最广泛使用和最有效的方法。 在这种方法中,监测恒星的光度周期性下降,这可能表明行星相对于观察者从恒星前面经过(又名凌日)。

此外,CHES 将协助目前正在发生的系外行星研究过渡,其中重点正在从发现过程转移到表征过程。 正如季博士解释的那样:

“首先,CHES将对距离我们10PC处附近的太阳型恒星进行广泛调查,并在过境法无法做到的情况下(例如TESS或柏拉图)。 [This] 需要行星相对于观察者视线的边缘轨道。

“其次,CHES 将首次直接测量‘地球双胞胎’和围绕我们邻近恒星运行的超级地球的真实质量,其中行星质量对于表征行星的特征非常重要。 相比之下, [Transit Method] 一般可以提供行星的半径,应该通过其他基于地面的方法来确认,例如径向速度。

“最后,CHES 将提供类地行星的三维轨道(例如倾角),这也是参与行星形成和表征的另一个关键指标。”

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艺术家对类地系外行星的印象。 图片来源:NASA/JPL-Caltech

这些能力将帮助天文学家大大扩展目前的系外行星普查,其中主要包括气态巨行星(木星或土星)、迷你海王星和超级地球。 但随着下一代仪器分辨率和灵敏度的提高,天文学家预计地球类似物的数量将呈指数增长。 它还将提高我们对围绕类太阳恒星运行的行星的多样性的理解,并阐明太阳系的形成和演化。

但下一代天基天文测量任务的好处并不止于此。 正如 Ji 博士所指出的,它将能够协助进行依赖于第二流行和有效的系外行星探测方法的调查,即径向速度法(又名多普勒光谱法)。 对于这种方法,天文学家观察恒星是否有明显的来回运动(“摆动”)的迹象,这些运动是由轨道行星的引力影响引起的。 正如季博士所说:

“此外,CHES 可以与超大望远镜 (ELT) 和三十米望远镜 (TMT) 等高精度径向速度仪器进行联合测量。 [It can also] 验证发现的宜居行星候选者 [this method],并准确表征行星质量和轨道参数。”

除此之外,CHES 将通过帮助寻找暗物质、研究黑洞和其他研究领域来帮助推进天文学和宇宙学的前沿。 这项研究将为支配我们宇宙的物理学、行星系统的形成和演化以及生命本身的起源提供新的见解。 其他天文台,例如南希·格雷斯罗马太空望远镜(以及 ELT 和 TMT),将能够对更靠近恒星运行的较小系外行星进行直接成像研究——这正是预计会发现岩石 HZ 行星的地方。

结合可以揭示邻近系统中数百颗岩石系外行星的天文学测量结果,天文学家可能即将发现地球以外的生命!

延伸阅读: arXiv