Допплеровская спектроскопия
Доплеровская спектроскопия (также известная как метод лучевых скоростей или, в просторечии, метод колебания ) — это косвенный метод поиска внесолнечных планет и коричневых карликов на основе измерений лучевых скоростей посредством наблюдения доплеровских сдвигов в спектре планеты . родительской звезды .По состоянию на ноябрь 2022 года около 19,5% известных внесолнечных планет (1018 от общего числа) были открыты с помощью доплеровской спектроскопии. [2]
История
[ редактировать ]Отто Струве предложил в 1952 году использовать мощные спектрографы для обнаружения далеких планет. Он описал, как очень большая планета, например, такая же большая, как Юпитер , может вызывать легкие колебания ее родительской звезды, когда два объекта вращаются вокруг своего центра масс. [3] Он предсказал, что небольшие доплеровские смещения света, излучаемого звездой, вызванные ее постоянно меняющейся лучевой скоростью, будут обнаруживаться самыми чувствительными спектрографами как крошечные красные и синие смещения в излучении звезды. Однако технологии того времени позволяли измерять лучевые скорости с погрешностью 1000 м/с и более, что делало их бесполезными для обнаружения планет, вращающихся вокруг них. [4] Ожидаемые изменения лучевой скорости очень малы – Юпитер заставляет Солнце изменять скорость примерно на 12,4 м/с в течение 12 лет, а влияние Земли составляет всего 0,1 м/с в течение 1 года – так долго. срочные наблюдения приборами с очень высоким разрешением . необходимы [4] [5]
Достижения в области спектрометрических технологий и методов наблюдения в 1980-х и 1990-х годах позволили создать инструменты, способные обнаружить первую из многих новых внесолнечных планет. Спектрограф ELODIE , установленный в обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции в 1993 году, мог измерять сдвиги лучевой скорости всего в 7 м/с, что достаточно мало для того, чтобы внеземной наблюдатель мог обнаружить влияние Юпитера на Солнце. [6] Используя этот инструмент, астрономы Мишель Майор и Дидье Кело идентифицировали 51 Pegasi b , « горячий Юпитер » в созвездии Пегаса. [7] Хотя ранее были обнаружены планеты, вращающиеся вокруг пульсаров , 51 Пегас b была первой планетой, когда-либо подтвержденной, что она вращается вокруг звезды главной последовательности , и первой, обнаруженной с помощью доплеровской спектроскопии. [8]
В ноябре 1995 года ученые опубликовали свои выводы в журнале Nature ; С тех пор статью цитировали более 1000 раз. С этой даты было идентифицировано более 1000 кандидатов в экзопланеты, многие из которых были обнаружены программами доплеровского поиска, базирующимися в обсерваториях Кека , Лика и Англо-Австралийской обсерваториях (соответственно, Калифорнийский, Карнеги и англо-австралийский поиск планет), и команды, базирующиеся в Женевском центре поиска внесолнечных планет . [9]
Начиная с начала 2000-х годов второе поколение спектрографов, охотящихся за планетами, позволило проводить гораздо более точные измерения. Спектрограф HARPS , установленный в обсерватории Ла Силья в Чили в 2003 году, может идентифицировать сдвиги лучевой скорости всего на 0,3 м/с, чего достаточно, чтобы обнаружить множество скалистых планет, похожих на Землю. [10] Ожидается, что третье поколение спектрографов появится в сети в 2017 году. [ нужно обновить ] Поскольку погрешности измерений оцениваются ниже 0,1 м/с, эти новые инструменты позволят внеземному наблюдателю обнаружить даже Землю. [11]
Процедура
[ редактировать ]Проведена серия наблюдений спектра света, излучаемого звездой. Могут быть обнаружены периодические изменения в спектре звезды: длина волны характерных спектральных линий в спектре регулярно увеличивается и уменьшается с течением времени. Затем к набору данных применяются статистические фильтры, чтобы нейтрализовать спектральные эффекты из других источников. Используя математические методы наилучшего соответствия , астрономы могут выделить характерную периодическую синусоидальную волну , указывающую на наличие планеты на орбите. [7]
Если обнаружена внесолнечная планета, минимальную массу планеты можно определить по изменениям лучевой скорости звезды. Чтобы найти более точную меру массы, необходимо знать наклон орбиты планеты. График зависимости измеренной лучевой скорости от времени даст характеристическую кривую ( синусоидальную кривую в случае круговой орбиты), а амплитуда кривой позволит рассчитать минимальную массу планеты с помощью бинарной функции массы .
Байесовская периодограмма Кеплера — это математический алгоритм , используемый для обнаружения одной или нескольких внесолнечных планет на основе последовательных измерений лучевой скорости звезды, вокруг которой они вращаются. Он включает в себя байесовский статистический анализ данных о лучевых скоростях с использованием априорного распределения вероятностей в пространстве, определяемом одним или несколькими наборами кеплеровских орбитальных параметров. Этот анализ может быть реализован с использованием метода Монте-Карло цепи Маркова (MCMC).
Метод был применен к системе HD 208487 , в результате чего была обнаружена вторая планета с периодом около 1000 дней. Однако это может быть артефактом звездной активности. [12] [13] Метод также применен к системе HD 11964 , где была обнаружена видимая планета с периодом около 1 года. Однако в переприведенных данных эта планета не была обнаружена. [14] [15] предполагая, что это обнаружение было артефактом орбитального движения Земли вокруг Солнца. [ нужна ссылка ]
Хотя лучевая скорость звезды дает только минимальную массу планеты, если спектральные линии планеты можно отличить от спектральных линий звезды, то можно найти лучевую скорость самой планеты, и это дает наклонение орбиты планеты и, следовательно, можно определить фактическую массу планеты. Первой нетранзитной планетой, масса которой была определена таким способом, была Тау Боэтис b в 2012 году, когда угарный газ . в инфракрасной части спектра был обнаружен [16]
Пример
[ редактировать ]График справа иллюстрирует синусоидальную кривую , полученную с помощью доплеровской спектроскопии для наблюдения лучевой скорости воображаемой звезды, вокруг которой вращается планета по круговой орбите. Наблюдения за реальной звездой дали бы аналогичный график, хотя эксцентриситет орбиты исказит кривую и усложнит приведенные ниже расчеты.
Скорость этой теоретической звезды демонстрирует периодическое отклонение ±1 м/с, что позволяет предположить, что вращающаяся по орбите масса создает гравитационное притяжение к этой звезде. Используя , Кеплера третий закон движения планет наблюдаемый период обращения планеты вокруг звезды (равный периоду наблюдаемых изменений спектра звезды) можно использовать для определения расстояния планеты от звезды ( ), используя следующее уравнение:
где:
- r - расстояние планеты от звезды
- G — гравитационная постоянная
- M star - масса звезды
- P star - наблюдаемый период звезды
Определив Скорость планеты вокруг звезды можно рассчитать, используя и Ньютона закон гравитации уравнение орбиты :
где это скорость планеты.
Затем массу планеты можно найти по рассчитанной скорости планеты:
где — скорость родительской звезды. Наблюдаемая доплеровская скорость, , где i — наклон орбиты планеты к линии, перпендикулярной лучу зрения .
Таким образом, приняв значение наклона орбиты планеты и массы звезды, наблюдаемые изменения лучевой скорости звезды можно использовать для расчета массы внесолнечной планеты.
Таблицы сравнения лучевых скоростей
[ редактировать ]Планета Масса | Расстояние В | Лучевая скорость звезды относительно планеты ( v радиальный ) | Уведомление |
---|---|---|---|
Юпитер | 5 | 12,7 м/с | |
Нептун | 0.1 | 4,8 м/с | |
Нептун | 1 | 1,5 м/с | |
Супер-Земля (5 М 🜨 ) | 0.1 | 1,4 м/с | |
Л 98-59 б ( 0.4 М 🜨 ) | 0.02 | 0,46 м/с | [17] |
Супер-Земля (5 М 🜨 ) | 1 | 0,45 м/с | |
Земля | 0.09 | 0,30 м/с | |
Земля | 1 | 0,09 м/с |
Ссылка: [18]
Планета | Тип планеты | Большая полуось ( В ) | Орбитальный период | Лучевая скорость звезды относительно планеты (РС) | Обнаруживается: |
---|---|---|---|---|---|
51 Пегас б | Горячий Юпитер | 0.05 | 4,23 дня | 55.9 [19] | Спектрограф первого поколения |
55 Рак д | Газовый гигант | 5.77 | 14,29 лет | 45.2 [20] | Спектрограф первого поколения |
Юпитер | Газовый гигант | 5.20 | 11,86 лет | 12.4 [21] | Спектрограф первого поколения |
Глизе 581c | Супер-Земля | 0.07 | 12,92 дня | 3.18 [22] | Спектрограф второго поколения |
Сатурн | Газовый гигант | 9.58 | 29,46 лет | 2.75 | Спектрограф второго поколения |
Л 98-59 б | Земная планета | 0.02 | 2,25 дня | 0.46 [17] | Спектрограф третьего поколения |
Нептун | Ледяной гигант | 30.10 | 164,79 лет | 0.281 | Спектрограф третьего поколения |
Земля | Обитаемая планета | 1.00 | 365,26 дней | 0.089 | Спектрограф третьего поколения (вероятно) |
Плутон | Карликовая планета | 39.26 | 246,04 года | 0.00003 | Не обнаруживается |
Для звезд типа МК с планетами в зоне обитаемости
[ редактировать ]Звездная масса ( M ☉ ) | Планетарная масса ( МНЕ ) | Люм. (Л 0 ) | Тип | РАБЦ ( В ) | фургон (см/с) | Период (дней) |
---|---|---|---|---|---|---|
0.10 | 1.0 | 8 × 10 −4 | М8 | 0.028 | 168 | 6 |
0.21 | 1.0 | 7.9 × 10 −3 | М5 | 0.089 | 65 | 21 |
0.47 | 1.0 | 6.3 × 10 −2 | М0 | 0.25 | 26 | 67 |
0.65 | 1.0 | 1.6 × 10 −1 | К5 | 0.40 | 18 | 115 |
0.78 | 2.0 | 4.0 × 10 −1 | К0 | 0.63 | 25 | 209 |
Ограничения
[ редактировать ]Основным ограничением доплеровской спектроскопии является то, что она может измерять движение только вдоль луча зрения и поэтому зависит от измерения (или оценки) наклона орбиты планеты для определения массы планеты. Если плоскость орбиты планеты совпадает с лучом зрения наблюдателя, то измеренное изменение лучевой скорости звезды является истинным значением. Однако если плоскость орбиты отклонена от луча зрения, то истинное влияние планеты на движение звезды будет больше, чем измеренное изменение лучевой скорости звезды, которая представляет собой лишь компонент вдоль прямая видимость. планеты В результате истинная масса окажется больше измеренной.
Чтобы исправить этот эффект и, таким образом, определить истинную массу внесолнечной планеты, измерения лучевой скорости можно объединить с астрометрическими наблюдениями, которые отслеживают движение звезды по плоскости неба, перпендикулярной лучу зрения. . Астрометрические измерения позволяют исследователям проверить, являются ли объекты, которые кажутся планетами с большой массой, скорее всего, коричневыми карликами . [4]
Еще одним недостатком является то, что газовая оболочка вокруг определенных типов звезд может расширяться и сжиматься, а некоторые звезды являются переменными . Этот метод непригоден для поиска планет вокруг звезд такого типа, поскольку изменения в спектре излучения звезды, вызванные внутренней изменчивостью звезды, могут затмить небольшой эффект, вызванный планетой.
Этот метод лучше всего подходит для обнаружения очень массивных объектов вблизи родительской звезды – так называемых « горячих Юпитеров », – которые оказывают наибольшее гравитационное воздействие на родительскую звезду и поэтому вызывают наибольшие изменения ее лучевой скорости. Горячие Юпитеры оказывают наибольшее гравитационное воздействие на свои звезды, поскольку имеют относительно небольшие орбиты и большие массы. Наблюдение множества отдельных спектральных линий и многих орбитальных периодов позволяет соотношение сигнал/шум увеличить при наблюдениях, увеличивая вероятность наблюдения меньших и более удаленных планет, но такие планеты, как Земля, остаются необнаружимыми с помощью современных инструментов.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Венц, Джон (10 октября 2019 г.). «Уроки раскаленных странных планет» . Знающий журнал . Ежегодные обзоры. doi : 10.1146/knowable-101019-2 . Проверено 4 апреля 2022 г.
- ^ «Статистика экзопланет и кандидатов» . Архив экзопланет НАСА . Институт экзопланет НАСА . Проверено 27 ноября 2022 г.
- ^ О. Струве (1952). «Предложение по проекту высокоточного исследования лучевых скоростей звезд». Обсерватория . 72 (870): 199–200. Бибкод : 1952Обс....72..199С .
- ^ Jump up to: а б с «Метод лучевых скоростей» . Интернет-энциклопедия науки . Проверено 27 апреля 2007 г.
- ^ А. Вольщан (весна 2006 г.). «Допплеровская спектроскопия и астрометрия - Теория и практика измерений орбит планет» (PDF) . ASTRO 497: Конспект лекций «Астрономия внесолнечных планет» . Пенсильванский государственный университет . Архивировано из оригинала (PDF) 17 декабря 2008 г. Проверено 19 апреля 2009 г.
- ^ «Руководство пользователя по продуктам архивных данных Elodie» . Обсерватория Верхнего Прованса. Май 2009 года . Проверено 26 октября 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Мэр Мишель; Кело, Дидье (1995). «Спутник звезды солнечного типа массой Юпитера». Природа . 378 (6555): 355–359. Бибкод : 1995Natur.378..355M . дои : 10.1038/378355a0 . ISSN 1476-4687 . OCLC 01586310 . S2CID 4339201 .
- ^ Бреннан, Пэт (7 июля 2015 г.). «Встанет ли настоящая «первая экзопланета»?» . Исследование экзопланет: планеты за пределами нашей Солнечной системы . Проверено 28 февраля 2022 г.
- ^ Р.П. Батлер ; и др. (2006). «Каталог близлежащих экзопланет» (PDF) . Астрофизический журнал . 646 (2–3): 25–33. arXiv : astro-ph/0607493 . Бибкод : 2006ApJ...646..505B . дои : 10.1086/504701 . S2CID 119067572 . Архивировано из оригинала (PDF) 7 июля 2007 г.
- ^ Мэр; и др. (2003). «Установление новых стандартов с помощью HARPS» (PDF) . ESO Мессенджер . 114 : 20. Бибкод : 2003Msngr.114...20M .
- ^ «ЭСПРЕССО – В поисках других миров» . Астрофизический центр Университета Порту. 16 декабря 2009 г. Архивировано из оригинала 17 октября 2010 г. Проверено 26 октября 2010 г.
- ^ ПК Грегори (2007). «Байесовская периодограмма Кеплера обнаруживает вторую планету в HD 208487». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 374 (4): 1321–1333. arXiv : astro-ph/0609229 . Бибкод : 2007MNRAS.374.1321G . дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.11240.x . S2CID 8220838 .
- ^ Райт, Дж. Т.; Марси, GW; Фишер, Д.А.; Батлер, Р.П.; Фогт, СС; Тинни, CG; Джонс, HRA; Картер, Б.Д.; и др. (2007). «Четыре новых экзопланеты и намеки на дополнительные субзвездные спутники звезд-хозяев экзопланет» . Астрофизический журнал . 657 (1): 533–545. arXiv : astro-ph/0611658 . Бибкод : 2007ApJ...657..533W . дои : 10.1086/510553 . S2CID 35682784 .
- ^ ПК Грегори (2007). «Байесовская периодограмма находит доказательства существования трех планет в HD 11964». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 381 (4): 1607–1616. arXiv : 0709.0970 . Бибкод : 2007MNRAS.381.1607G . дои : 10.1111/j.1365-2966.2007.12361.x . S2CID 16796923 .
- ^ Райт, Дж. Т.; Упадхьяй, С.; Марси, GW; Фишер, Д.А.; Форд, Эрик Б.; Джонсон, Джон Ашер (2009). «Десять новых и обновленных мультипланетных систем и обзор экзопланетных систем». Астрофизический журнал . 693 (2): 1084–1099. arXiv : 0812.1582 . Бибкод : 2009ApJ...693.1084W . дои : 10.1088/0004-637X/693/2/1084 . S2CID 18169921 .
- ↑ Взвешивание нетранзитного горячего Юпитера Тау BOO b , Флориан Родлер, Мерседес Лопес-Моралес, Игнаси Рибас, 27 июня 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Деманжон, Оливер Д.С.; Сапатеро Осорио, MR; Альберт, Ю.; Баррос, SCC; Адибекян В.; Табернеро, HM; и др. (июль 2021 г.). «Теплая планета земной группы с половиной массы Венеры, проходящая транзитом через ближайшую звезду» (PDF) . Астрономия и астрофизика . 653 : 38. arXiv : 2108.03323 . Бибкод : 2021A&A...653A..41D . дои : 10.1051/0004-6361/202140728 . S2CID 236957385 .
- ^ Jump up to: а б «ESPRESSO и CODEX — следующее поколение охотников за планетами на автодомах в ESO» . Китайская академия наук . 16 октября 2010 г. Архивировано из оригинала 4 июля 2011 г. Проверено 16 октября 2010 г.
- ^ «51 Пег б» . Обозреватель данных экзопланет.
- ^ «55 ЧПУ д» . Обозреватель данных экзопланет.
- ^ Эндл, Майкл. «Метод Доплера, или обнаружение радиальных скоростей планет» . Техасский университет в Остине . Проверено 26 октября 2012 г. [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ «ГЖ 581 с» . Обозреватель данных экзопланет.
- ^ «Лазерная гребенка частот NIR для высокоточного доплеровского исследования планет» . Китайская академия наук . 16 октября 2010 г. Проверено 16 октября 2010 г. [ мертвая ссылка ]