HOSTS调查为外行星任务铺平了道路

2018-05-14

这位艺术家的插图展示了特别多尘的太阳系中,行星看起来像天空的样子。尘埃在太阳系平面上绕着一颗恒星称为黄道尘埃,被尘埃反射和散射的光称为黄道光。寻找陆地系统可观测签名或HOSTS调查的任务是学习更多关于黄道尘埃对寻找新世界的影响,以帮助指导未来寻星行星的设计。学分:NASA / JPL-Caltech

通过研究附近恒星可居住区域的尘埃,以UA天文学家为首的并由亚利桑那望远镜执行的HOSTS调查正在帮助确定未来望远镜应该有多大,哪些恒星可能是窝藏地球行星的候选人,平均星系看起来像。

想象一下,试图在遥远的聚光灯旁看到一只萤火虫,聚光灯下的光束几乎淹没了萤火虫发出的微弱光芒。加雾,两盏灯都变暗。萤火虫的光芒依然可见吗?

这就是寻找陆地系统可观测签名或HOSTS的问题,调查的任务是回答问题,尽管这是以宇宙尺度来进行的。在亚利桑那州使用大型双目望远镜干涉仪(LBTI),HOSTS调查确定了漂浮在附近恒星可居住区的温暖灰尘的亮度和密度,其中液态水可能存在于行星表面。

这项研究将有助于美国国家科学院制作的关于天体物理学领域的每十年一次的报告,即美国航天局用来帮助为未来的任务绘制一个航线图,其中一些可以继续搜索已知其他恒星周围的行星作为系外行星。但是,在设计望远镜进行预期的外行星搜寻任务之前,天文学家必须知道,当系统被灰尘覆盖时,它们能否看到明亮恒星旁边的一个微小,朦胧的行星的能力有根本的限制。

大型双筒望远镜干涉仪或LBTI是一种地面仪器,连接亚利桑那州格雷厄姆山上的两台8米级望远镜,构成世界上最大的单座望远镜。干涉仪设计用于检测和研究太阳系外的恒星和行星。学分:NASA / JPL-Caltech

“我们的结果是没有根本性的问题,”亚利桑那大学斯图尔德天文台的史蒂夫埃特尔说,他是大型望远镜干涉仪的仪器科学家,也是论文的主要作者,“HOSTS调查 - 30颗外星尘埃测量星星“,这是发表在天文学报。 “现在这是一个技术挑战。”

寻找地球行星的潜在任务可能包括一架太空望远镜,而HOSTS调查将有助于确定它的大小。

Ertel说:“有更多的灰尘,望远镜对行星的成像就越大。 “了解需要使用哪种望远镜尺寸很重要,所以成本可以降到最低。”

在我们的太阳系平面上运行的尘埃被称为“黄道尘”.HOSTS调查已经确定,其他恒星周围的黄道带尘埃的典型水平 - 被称为“黄道带尘埃” - 小于该量的15倍发现在我们自己的太阳能系统的居住区。拥有超过这个数量的尘埃的恒星使未来的系外行星成像任务成为可怜的目标,因为行星很难在阴霾中看到。一颗带有突出防尘片的恒星称为Epsilon Eridani,是HOSTS调查所调查的10颗最近恒星之一。

“它就在附近,”Ertel说。 “这是一颗与我们的太阳非常相似的恒星。这将是一个非常好的目标,但我们发现它不是一个好主意。你无法在其周围看到类似地球的行星。“

'这是我们最好的猜测'

如果灰尘和碎片使得寻找岩石世界具有挑战性,那么为什么要在尘土飞扬的系统中寻找行星?

“我们太阳系有灰尘,”HOSTS调查小组负责人兼UA天文学副教授Philip Hinz说。 “我们想要表征与我们自己的太阳系相似的恒星,因为这是我们对其他行星系统可能有什么生命的最佳猜测。”

主星附近的尘埃分布模式也可以告诉天文学家关于恒星系统中潜在行星的一些事情。一些明星拥有宽广,连续的磁盘,可以填满整个系统。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,然后向内朝着恒星旋转,以便在整个系统中均匀分布。

“这是我们期望看到的,但我们也看到了一些惊喜,”Ertel说。

以维加,夜空中最亮的星星之一。 30多年来,天文学家已经知道,维加有一个远离恒星的巨大冷尘带,类似于我们太阳系的柯伊伯带。这颗恒星还有一块非常接近它的热尘埃。

“我们认为维加在居住区也必须有尘土,因为它的尘埃非常密集,尘埃离得更远,”Ertel说。 “但我们看着维加的可居住区,我们什么都没找到。”

维加的居住区没有可探测到的灰尘,这可能表明该系统有防止灰尘聚集的行星。行星在维加附近还没有被发现,但目前的观测甚至没有足够的敏感度来探测到与恒星附近的木星一样大的行星,更不用说类地行星了。

“这可能表明我们看不到一颗行星,”Ertel说。 “它可能是一个可居住区外的巨大行星,也可能是几颗大地行星。”

其他恒星有不同的尘埃分布:没有太远或非常接近,但在其居住区内有大量明亮,温暖的尘埃。如果一个恒星没有一个产生尘埃的柯伊伯带类似物,但它仍然有一圈温暖的尘埃,系统中必须有另一个机制在起作用。

“在那个系统中可能会有像木星和土星这样的巨大行星,但该系统的小行星带有很大的质量,所以你会发生大量的碰撞,产生大量的灰尘,”Hinz说。

研究这些尘埃盘为天文学家提供了更多的元素来解决行星架构的难题。尽管过去的研究已经寻找与恒星非常接近且距离很远的行星来确定行星通常位于恒星系统中的哪个行星,但HOSTS调查正在确定平均恒星系统中的尘埃和小行星带如何出现。

“调查正在进行中,所以我们有更多的问题而不是答案,”Hinz说。 “我们很早就想弄清楚它们如何结合在一起。”

检测方法

外星尘埃已被其主星升温至室温,所以在红外线波长处观察时,即在红外线下,被加热的物体发出时,它会发光。然而,在这些波长处,恒星比尘埃亮一万倍。为了看看在他们选定的30颗星星周围有多少尘埃在旋转,HOSTS调查使用称为“布雷斯韦尔零陷干涉测量法”的技术,在首先提出该方法的天文学家罗纳德布雷斯韦尔之后检测到了尘埃圆盘。

“干涉测量意味着'测量两个波列之间的干扰',”Hinz说。

大型双目望远镜或LBT具有执行干涉测量的独特功能,因为它的设计使其双镜望远镜可以检测彼此完全不同相位的光波。当波浪不同相时,它们相互抵消,导致它们的波峰和波谷变平。

“结果是你取消了明星的光线,”Hinz说。

1998年引入了一种类似的技术,使用亚利桑那州霍普金斯山上的多镜望远镜。

Hinz说:“花了将近20年的时间来完善这项技术,所以它足够精确,以至于我们可以摆脱恒星并且足够敏感,以便我们能够从尘埃中看到剩余的光线。”

实现这种取消需要LBT具有适应性。当望远镜的8米主镜反射光后,它会从副镜反射回来并进入探测器。次镜是可变形的,以便它们可以校正由大气波纹引起的光线失真。为了使干涉测量工作,这些校正必须精确到人发的宽度的百分之一。

LBTI由NASA的Exoplanet勘探计划办公室资助,并由加利福尼亚州帕萨迪纳市的喷气推进实验室管理。 JPL是加州理工的一个部门。 2011年,LBTI的灵敏度比以前可以探测外星尘埃的望远镜灵敏10倍,Keck干涉仪Nuller完成了对外星尘埃的观测。欲了解更多关于凯克干涉仪的信息,请访问science.nasa.gov /任务/凯克。

LBT是美国,意大利和德国各机构之间的国际合作,其管理和总部设在UA。

论文:HOSTS调查 - 30颗星的外行星尘埃测量