HOSTS调查为系外行星任务铺平道路

恒星尘埃调查为系外行星任务铺平道路

这幅艺术家的插图展示了在一个特别多尘埃的太阳系中的行星上看到的天空。在太阳系平面上围绕恒星运行的尘埃称为黄道带尘埃,被该尘埃反射和散射的光称为黄道带光。“寻找地球系统的可观测特征”(Hunt for Observable Signatures of Terrestrial Systems,简称HOSTS)调查的任务是了解黄道带尘埃对寻找新世界的影响,以帮助指导未来行星搜寻任务的设计。学分:NASA /姓名

通过研究尘埃在附近的恒星周围的可居住地带,东道主调查——由UA与亚利桑那州的望远镜,天文学家和执行是帮助确定未来的望远镜应该多大,窝藏类地行星的恒星可能和一般的恒星系统是什么样子的。

想象一下,你试图在远处的聚光灯下观察一只萤火虫,而聚光灯发出的光束几乎淹没了萤火虫微弱的光芒。加上雾,两盏灯都会变暗。萤火虫发出的光还能看得见吗?

这就是“寻找地球系统的可观测特征”(Hunt for Observable Signatures of Terrestrial Systems,或称HOSTS, Survey)要回答的问题,尽管是在宇宙范围内。使用亚利桑那州的大型双目望远镜干涉仪(LBTI), HOSTS调查确定了漂浮在附近恒星宜居带的热尘埃的亮度和密度,在那里液态水可能存在于行星的表面。

这项研究将有助于美国国家科学院(National Academies)在天体物理学领域每十年发布一次的报告美国国家航空航天局用于帮助绘制未来任务的路线,其中一些任务可能会继续寻找其他恒星周围的行星,即所谓的系外行星。但在未来的望远镜之前太阳系外行星天文学家必须知道,当星系被尘埃笼罩时,他们看到明亮恒星旁边的一颗微小、昏暗的行星的能力是否有基本限制。

大型双目望远镜干涉仪

大型双目望远镜干涉仪,简称LBTI,是一种地面仪器,连接着位于亚利桑那州格雷厄姆山上的两个8米级望远镜,形成世界上最大的单座望远镜。干涉仪是用来探测和研究太阳系外的恒星和行星的。学分:NASA /姓名

“我们的结果是没有根本的问题,”Steve Ertel说亚利桑那大学的管家天文台,仪器科学家大型双筒望远镜干涉仪和该论文的第一作者,“东道主调查——Exo-Zodiacal尘埃测量30恒星,”这是发表在《天文期刊。“现在这是一个技术挑战。”

一个潜在的类地行星搜索任务可能包括一个太空望远镜,而HOSTS调查将有助于确定它的大小。

埃尔特尔说:“尘埃越多,望远镜成像行星的尺寸就越大。”“了解所需望远镜的尺寸很重要,这样才能将成本降至最低。”

在我们太阳系平面上运行的尘埃被称为“黄道带尘埃”。HOSTS调查已经确定,其他恒星周围黄道尘埃的典型水平——称为“黄道外尘埃”——不到我们太阳系宜居带中发现的数量的15倍。如果恒星的尘埃量超过这个数字,就不适合进行未来的系外行星成像任务,因为在雾霾中很难看到行星。其中一颗有明显尘埃盘的恒星叫做天卫四(Epsilon Eridani),是HOSTS调查所调查的距离我们最近的10颗恒星之一。

“它很近,”埃尔特尔说。“这是一颗与我们的太阳非常相似的恒星。这将是一个很好的目标,但我们发现这不是一个好主意。你将无法看到它周围的类地行星。”

“这是我们的最佳猜测”

如果尘埃和碎片让寻找岩石世界变得很困难,那么为什么要在尘埃系统中寻找行星呢?

“在我们自己的太阳系中就有尘埃,”主办方调查小组的负责人、UA的天文学副教授菲利普·欣茨(Philip Hinz)说。“我们想要描述与我们的太阳系相似的恒星,因为这是我们对其他行星系统可能存在生命的最佳猜测。”

恒星周围的尘埃分布模式也可以告诉天文学家恒星系统中可能存在的行星的一些信息。一些恒星有宽的、连续的圆盘,填满整个系统。这被认为是一个标准模型,因为尘埃是在远离恒星的小行星碰撞过程中形成的,然后螺旋向内朝向恒星,这样它就均匀分布在整个系统中。

“这是我们预期会看到的,但我们也看到了一些惊喜,”Ertel说。

以织女星为例,夜空中最亮的星星之一。30多年来,天文学家已经知道织女星有一个巨大的冷尘埃带远离恒星,类似于我们太阳系的柯伊伯带。这颗恒星附近还有一个热尘埃盘。

厄特尔说:“我们认为织女星的宜居带一定也有尘埃,因为它的尘埃离得很近,也离得很远。”“但我们查看了织女星的宜居带,却什么也没发现。”

织女星的宜居带没有可检测到的尘埃,这可能表明该系统有阻止尘埃聚集的行星。织女星周围还没有发现行星,但目前的观测还不足以探测到像织女星这样大的行星木星更不用说类地行星了。

“这可能是一颗我们看不到的行星的迹象,”Ertel说。“它可能是宜居带外的一颗巨大行星,也可能是几颗地球质量的行星。”

其他恒星有不同的尘埃分布:不是很远或很近,而是大量明亮、温暖的尘埃在它们的宜居带。如果一颗恒星没有类似柯伊伯带产生的尘埃,但它仍然有一个温暖的尘埃环,那么在这个系统中一定有另一种机制在起作用。

“可能有像木星和土星在那个系统中,但是那个系统的小行星带有很大的质量,所以你会遇到很多碰撞,产生大量的尘埃,”Hinz说。

对这些尘盘的研究为天文学家解开行星结构之谜提供了更多线索。虽然过去的研究都是寻找离恒星非常近和非常远的行星,以确定行星在恒星系统中的典型位置,但HOSTS调查正在确定灰尘和小行星带在普通恒星系统中的出现方式。

Hinz说:“调查正在进行中,所以我们的问题比答案多。”“我们正处于早期阶段,试图弄清楚这一切是如何联系在一起的。”

检测方法

黄道带外尘埃已经被它的主恒星加热到室温,所以当它在红外波长(即被加热的物体发出的红外光)下观看时会发光。然而,在这些波长下,恒星发出的光比尘埃要亮10,000倍。为了了解有多少尘埃在他们选择的30颗恒星周围旋转,HOSTS调查使用了一种名为“Bracewell零干涉测量法”的技术来探测尘埃盘,该技术以最早提出这种方法的天文学家罗纳德•布雷斯韦尔命名。

“干涉术的意思是‘测量两个波列之间的干涉’,”Hinz说。

大型双目望远镜(LBT)具有进行干涉测量的独特能力,因为它的设计使其两个望远镜都能探测到彼此完全不相的光波。当波不相时,它们会相互抵消,导致波峰和波谷变平。

“结果就是你抵消了来自恒星的光,”Hinz说。

1998年,亚利桑那州霍普金斯山的多镜望远镜也采用了类似的技术。

Hinz说:“我们花了近20年的时间来完善这项技术,使其足够精确,使我们能够摆脱这颗恒星,并足够敏感,使我们能够看到来自尘埃的剩余光线。”

实现这种取消要求LBT具有适应性。当光线从望远镜8米长的主镜反射回来后,它会被副镜反射到探测器上。次级反射镜是可变形的,因此它们可以修正由大气波纹引起的光的扭曲。为了使干涉测量法工作,这些修正必须精确到人类头发宽度的百分之一。

LBTI由NASA的系外行星探索计划办公室资助,并由该机构位于加州帕萨迪纳的喷气推进实验室管理。喷气推进实验室是加州理工学院的一个部门LBTI的灵敏度是之前能够探测黄道带外尘埃的凯克干涉仪零级望远镜的10倍,凯克干涉仪零级望远镜在2011年完成了对黄道带外尘埃的观测。要了解更多关于凯克干涉仪的信息,请访问science.nasa.gov/missions/keck。

LBT是美国、意大利和德国的机构之间的国际合作,由UA管理和总部。

论文:主机调查- 30颗恒星的黄道带外尘埃测量

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