宇宙学 - 系外行星探测

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天体生物学是研究宇宙中生命起源、进化、分布和未来的一门学科。它致力于发现和探测系外行星。

天体生物学探讨以下几点：

• 生命如何起源和进化？（生物学 + 地质学 + 化学 + 大气科学）

• 地球以外是否存在有利于生命存在的星球？（天文学）

• 地球生命的未来将会如何？

天文学探讨以下几点：

• 如何探测其他恒星周围的行星系统？

• 其中一种方法是直接成像，但这项任务非常困难，因为与恒星相比，行星的光源极其微弱，而且它们发出的微弱光线往往会淹没在母恒星的光芒中。

• 当行星更靠近其母恒星且温度较高时，对比度更好，因此它会发出强烈的红外辐射。我们可以在红外区域进行成像。

系外行星探测技术

系外行星探测最有效的技术如下。这些技术在后续章节中也将详细解释。

径向速度法

它也称为多普勒方法。在这个方法中：

• 恒星-行星系统围绕它们的质心旋转，恒星会摆动。

• 摆动可以通过以下方式检测：

  • 周期性的红/蓝移。天体测量 - 高精度地测量天空中的物体。

凌日法

凌日法（开普勒太空望远镜）用于确定大小。与双星系统不同，恒星亮度的下降通常非常小。

直接成像

使用望远镜对行星成像。

让我们来看一个关于径向速度法的案例研究。

案例研究

此案例研究是关于圆形轨道和平面轨道垂直于天空平面的情况。两者围绕质心的时间相同。它将等于两次红移或蓝移之间的时间差。

考虑下图。

在A和C点 - 测量全速度。在C点，速度为零。

• Vrmax = V_* 是恒星的真实速度。

• P是恒星和行星的周期。

• θ是轨道的相位。

• 恒星质量 - M_*，轨道半径 a_*，行星质量 m_p。

根据质心方程：

$$m_p a_p = M_\ast a_\ast$$

根据速度方程：

$$V_\ast = \frac{2\pi a_\ast}{P}$$

$$\Rightarrow a_\ast = \frac{PV_\ast}{2\pi}$$

根据开普勒定律：

$$P^2 = \frac{4\pi^2a_p^3}{GM_\ast}$$

$$\Rightarrow a_p = \left ( \frac{P^2GM_\ast}{4\pi^2} \right)^{1/3}$$

根据上述方程，我们得到：

$$\Rightarrow m_p = \left( \frac{P}{2\pi G} \right)^{1/3}M_\ast^{2/3}V_\ast$$

我们得到：m_p, a_p 和 a_*。

上述方程偏向于探测靠近恒星的大质量行星。

要点

• 天体生物学是研究宇宙中生命起源、进化、分布和未来的一门学科。

• 探测系外行星的技术包括：径向速度法、凌日法、直接成像等。

• 摆动可以通过周期性的红/蓝移和天体测量来检测。

• 径向速度法偏向于探测靠近恒星的大质量行星。