行星凌星法

天文学术语

行星凌星法是一种根据产生凌星现象时分析恒星亮度变化从而推算行星轨道及质量参数的一种观测方法。

理论定义
天文学家已经发现了许多太阳系外行星。当系外行星围绕它们的恒星运行至恒星朝向地球的一面时,就发生了与“金星凌日”相似的现象,这种现象称为“凌星”。凌星现象发生时,恒星的光芒因被遮挡而减弱。天文学家通过恒星的亮度变化可以确定系外行星的轨道倾角,进而确定它的质量。由观察凌星搜寻外星行星的方法被叫做行星凌星法。
基本原理
凌星法的基本原理是,对于那些公转轨道面与视线方向很接近的外星行星来说,行星有可能从母恒星的前方通过,情况犹如发生在太阳系中的水星凌日或金星凌日,天文学上称为行星凌星。在凌星期间,恒星的亮度会因被前方的行星遮掩而减弱,并且这种亮度减弱现象的出现是周期性的,由此便可探知恒星周围有行星存在。这种方法小望远镜也能发挥作用,但适用的对象较少。当然,因凌星现象而使恒星亮度减弱的程度是很小的,凌星发生时一颗木星大小的行星会使母恒星的亮度约降低约1%,而对地球大小的行星来说相应的数字仅为0.01%。由此可见,要通过这条途径来发现外星行星,必须有很高的测光精度。
观测方式
采集数据
首先确定进行观测的目标源,根据所使用天文台望远镜所在地选取方便观测的目标行星,选取对恒星的视星等干扰较大的行星进行观测。
接下来确定凌星时间。根据国际凌星观测网站提供的记录数据确定凌星事件的预测时间,在预测时间前0.5~1.5 h安排仪器开始观测使用V滤光片,根据源的亮度确定合适的曝光时间,最后在预测凌星事件结束0.5~1.5~h后停止观测,防止因为预测时间不准确造成观测源凌星过程未拍摄完整。
最后根据拍摄资料整理,获取观测数据。
误差校正
获取凌星观测数据后,进行数据前期的预处理,由于CCD在工作过程中本身的热电子噪声、CCD像素间灵敏度的差异等因素而引入了附加效应,因此观测所得到的CCD图像并未完全真实地反映所拍摄天区的情况.为了消除这些附加效应,首先要对图像进行预处理,包括零场校正、暗场校正和平场校正.正常观测时一般拍摄多幅零场、暗场和平场图像,校正前将多幅图像分别用imred/cedred包下的zerocombine、darkcombine、flatcombine对零场、暗场和平场图像进行合并,然后再对目标图像用ccdproc命令进行校正。
数据处理
进行完这些预处理阶段的工作之后,利用MaxiM DL软件对待测恒星、周围的比较星及校验星进行较差测光,一般选取视场中两颗与主星亮度相近的参考星和一颗校验星。参考星和校验星的位置、星等等信息来自SIMBAD以及USNO在线星表。较差测光过程中,要根据实际情况剔除由于天气或观测原因而不可用的图像。应用MaxIM DL进行较差测光步骤如下:运用MaxIM DL打开预处理后的图像,利用photometry命令进行目标星、参考星和校验星的选择,手动写入查到的参考星的星等并设置测光的孔径值。设置完毕、进行测光后可以得到目标星、参考星和校验星的星等值.最后,得出待测恒星与校验星的光变曲线,分别用于分析凌星事件和估计相对测光精度。
光变曲线
运用观测到凌星事件并利用孔径较差测光方法得到待测恒星的光变曲线。
横轴是儒略日,纵轴是V波段的星等值(my)。其中实心圆点表示待测系外行星主星(obj),空心三角形表示校验星(chk)(为了方便比较,对校验星的星等值进行了相应的平移)。图1中标出了通过实测光变曲线拟合得到的凌星的开始时刻、结束时刻和中间(JDmid)时刻,同时还给出了较差测光的相对精度值。
参数估算
利用凌星方法可以很好地对行星的半径进行精确的测定,继而结合利用视向速度方法得到的行星质量,可估算出行星的密度。对同一行星的多次凌星观测后进行数据统计工作有助于对其参数进行更为准确的估算。
模型拟合
在得出凌星光变曲线后,TRESCA网站对于光变曲线进行数据模型拟合,Poddany等给出模型拟合方法如下:对于上传的光变曲线的原始观测数据,假设观测的数据包括在ti(i=1,2,3⋯)时刻的相对星等m(ti),将数据利用以下公式进行模拟:
m(ti)=A-2.5lgF(z{ti,t0.D,b},p,c1)+B(ti-tmacn)+C(ti-tmacn)2
其中F(z,P,C1)是主星(恒星)的相对流量值,由行星凌星现象导致其变化.P=Rp/R*是行星与其主星的半径比, R*为恒星半径(理论值由TRESCA网站给出),RP为行星半径,并且Rp远小于R*(P≤0.2).
恒星临边昏暗通过系数为C1的线性方程进行拟合.预计的行星相对恒星的距离为z.设定to为凌星中间时刻; D为整个凌星现象持续时间;将行星运动轨迹模拟为穿过恒星盘的直线,用参数b=acosI/R*表示,其中a为行星轨道半长径,I为轨道倾角;通过以上设定可计算每个ti时刻的函数z[ti,to.D,b].采用occultsmall程序进行F(z,P,c1)的计算. (1)式中的变量A描述了星等的零点漂移,变量B和c描述了数据的系统变化趋势.利用观测时间平均值tmean=Σti/N的一次项和二次项的计算来减少数值误差.其中没有做明确的大气质量曲率修正,因为一般二次多项式在大多数情况下是足够的.
参数估算
利用凌星法对系外行星探测研究的主要目标是得到凌星中间时刻to、持续时间D、凌星深度△F.这些重要参数可以通过(1)式中模型拟合后得到.通过凌星法能够较为准确估算的行星几何参数为行星半径和轨道倾角.TRESCA网站给出下列方法求其参数.行星半径由以下公式算得:
其中△F为凌星深度,F*为非凌星时刻的恒星总流量,Ft为凌星时的恒星流量,I*为恒星强度.
轨道倾角可以由行星凌星总时间tz和行星公转周期P(理论值由TRESCA网站给出)得到,具体公式为
后续工作
1.根据所观测数据建立一套系统的观测、分析、处理方案,并加以推广至更多凌星探测当中。
2.运用改进方案观测尚未有凌星数据的系外行星,总结其运动规律及重要参数等。
3.运用此方案探索未知的系外行星,分析其物理规律。
主要作用
凌星法可以根据恒星亮度变化的周期性确定系外行星的轨道倾角,从而进一步确定行星质量。凌星法也可以了解行星大气结构,当行星行经其母星,母星光线便会经过行星的最外层大气。只要仔细分析母星的光谱,便能得知行星的大气成份。而把发生次蚀时(即行星被其母星掩著)的光谱和次蚀前后的光谱相减,便可直接得到行星的光谱性质,从而得知行星的温度,甚至能侦测到行星上云的形成。
研究意义
通过测量恒星亮度的变化可以探测行星是否存在并得到较为准确的行星信息。除了探测并搜寻新的太阳系外行星,利用凌星观测数据还可以获得由其它探测方法(如视向速度法等)难以得到的一些行星物理参数,如半径和密度等而这对于全面而深入地了解该行星的物理性质有着不可替代的作用。
另外即使是对以前已有凌星观测的系外行星系统而言,新的更为精确的凌星观测数据对于获取精确的行星物理参数,乃至利用凌星发生时刻与时长的变化(即transit—timing variation方法)发现新的系外行星的存在等都有着十分重要的意义。
研究现状
国际
欧洲航天局的对流旋转和行星横越计划(COROT,COnvection ROtation and planetary Transits)以及美国国家航空航天局的开普勒计划(Kepler Mission)均会使用凌日法。COROT可以侦测到略为大于地球的行星,而开普勒太空望远镜更有能力侦测到比地球更小的行星。预期开普勒太空望远镜亦有能力探测到小轨道大型行星的反光,但不足以构成影像;如月球的月相,这些反光会随时间而增加或减少,分析这些数据甚至可以显示其大气内的物质分布。透过这方法Kepler可以找到更多未被发现的系外行星。美国国家航空航天局计划在2014年发射的太空干涉任务将使用天体测量法在邻近恒星之中寻找类似地球的行星。
欧洲航天局的达尔文计划(Darwin)探测器及美国国家航空航天局的类地行星发现者号(TPF,Terrestrial Planet Finder)则会尝试直接拍摄系外行星的照片。2013年被提议的新世界成像系统(New Worlds Imager)更有遮光设备以阻挡恒星的光芒,容许天文学家直接观察到暗淡的系外行星。
国内
2011年中国科学院国家天文台的刘玉娟等人利用兴隆观测站及日本冈山天体物理天文台(OAO)的望远镜,通过凌日法发现了一颗系外行星,并给出了重要参数。
云南天文台钱声帮研究员等人利用云南天文台的60cm、1 m和2.4 m望远镜发现绕白矮星双星转动的系外行星。
云南天文台王晓彬等人利用云南天文台1 m望远镜,对SuperWASP项目的3个观测目标进行了测光观测和数据处理分析,得到了一些目标星的基本参数。
中国科技大学天体物理中心、美国佛罗里达大学天文系、南京大学天文系和云南天文台联合的LiJET(丽江系外行星追踪者)计划2015年进行系外行星的探测。
全国各地天气预报查询

上海市

  • 市辖区
  • 云南省

  • 临沧市
  • 云南省

  • 丽江市
  • 云南省

  • 保山市
  • 云南省

  • 大理白族自治州
  • 云南省

  • 德宏傣族景颇族自治州
  • 云南省

  • 怒江傈僳族自治州
  • 云南省

  • 文山壮族苗族自治州
  • 云南省

  • 昆明市
  • 云南省

  • 昭通市
  • 云南省

  • 普洱市
  • 云南省

  • 曲靖市
  • 云南省

  • 楚雄彝族自治州
  • 云南省

  • 玉溪市
  • 云南省

  • 红河哈尼族彝族自治州
  • 云南省

  • 西双版纳傣族自治州
  • 云南省

  • 迪庆藏族自治州
  • 内蒙古自治区

  • 乌兰察布市
  • 内蒙古自治区

  • 乌海市
  • 内蒙古自治区

  • 兴安盟
  • 内蒙古自治区

  • 包头市
  • 内蒙古自治区

  • 呼伦贝尔市
  • 内蒙古自治区

  • 呼和浩特市
  • 内蒙古自治区

  • 巴彦淖尔市
  • 内蒙古自治区

  • 赤峰市
  • 内蒙古自治区

  • 通辽市
  • 内蒙古自治区

  • 鄂尔多斯市
  • 内蒙古自治区

  • 锡林郭勒盟
  • 内蒙古自治区

  • 阿拉善盟
  • 北京市

  • 市辖区
  • 吉林省

  • 吉林市
  • 吉林省

  • 四平市
  • 吉林省

  • 延边朝鲜族自治州
  • 吉林省

  • 松原市
  • 吉林省

  • 白城市
  • 吉林省

  • 白山市
  • 吉林省

  • 辽源市
  • 吉林省

  • 通化市
  • 吉林省

  • 长春市
  • 四川省

  • 乐山市
  • 四川省

  • 内江市
  • 四川省

  • 凉山彝族自治州
  • 四川省

  • 南充市
  • 四川省

  • 宜宾市
  • 四川省

  • 巴中市
  • 四川省

  • 广元市
  • 四川省

  • 广安市
  • 四川省

  • 德阳市
  • 四川省

  • 成都市
  • 四川省

  • 攀枝花市
  • 四川省

  • 泸州市
  • 四川省

  • 甘孜藏族自治州
  • 四川省

  • 眉山市
  • 四川省

  • 绵阳市
  • 四川省

  • 自贡市
  • 四川省

  • 资阳市
  • 四川省

  • 达州市
  • 四川省

  • 遂宁市
  • 四川省

  • 阿坝藏族羌族自治州
  • 四川省

  • 雅安市
  • 天津市

  • 市辖区
  • 宁夏回族自治区

  • 中卫市
  • 宁夏回族自治区

  • 吴忠市
  • 宁夏回族自治区

  • 固原市
  • 宁夏回族自治区

  • 石嘴山市
  • 宁夏回族自治区

  • 银川市
  • 安徽省

  • 亳州市
  • 安徽省

  • 六安市
  • 安徽省

  • 合肥市
  • 安徽省

  • 安庆市
  • 安徽省

  • 宣城市
  • 安徽省

  • 宿州市
  • 安徽省

  • 池州市
  • 安徽省

  • 淮北市
  • 安徽省

  • 淮南市
  • 安徽省

  • 滁州市
  • 安徽省

  • 芜湖市
  • 安徽省

  • 蚌埠市
  • 安徽省

  • 铜陵市
  • 安徽省

  • 阜阳市
  • 安徽省

  • 马鞍山市
  • 安徽省

  • 黄山市
  • 山东省

  • 东营市
  • 山东省

  • 临沂市
  • 山东省

  • 威海市
  • 山东省

  • 德州市
  • 山东省

  • 日照市
  • 山东省

  • 枣庄市
  • 山东省

  • 泰安市
  • 山东省

  • 济南市
  • 山东省

  • 济宁市
  • 山东省

  • 淄博市
  • 山东省

  • 滨州市
  • 山东省

  • 潍坊市
  • 山东省

  • 烟台市
  • 山东省

  • 聊城市
  • 山东省

  • 菏泽市
  • 山东省

  • 青岛市
  • 山西省

  • 临汾市
  • 山西省

  • 吕梁市
  • 山西省

  • 大同市
  • 山西省

  • 太原市
  • 山西省

  • 忻州市
  • 山西省

  • 晋中市
  • 山西省

  • 晋城市
  • 山西省

  • 朔州市
  • 山西省

  • 运城市
  • 山西省

  • 长治市
  • 山西省

  • 阳泉市
  • 广东省

  • 东莞市
  • 广东省

  • 中山市
  • 广东省

  • 云浮市
  • 广东省

  • 佛山市
  • 广东省

  • 广州市
  • 广东省

  • 惠州市
  • 广东省

  • 揭阳市
  • 广东省

  • 梅州市
  • 广东省

  • 汕头市
  • 广东省

  • 汕尾市
  • 广东省

  • 江门市
  • 广东省

  • 河源市
  • 广东省

  • 深圳市
  • 广东省

  • 清远市
  • 广东省

  • 湛江市
  • 广东省

  • 潮州市
  • 广东省

  • 珠海市
  • 广东省

  • 肇庆市
  • 广东省

  • 茂名市
  • 广东省

  • 阳江市
  • 广东省

  • 韶关市
  • 广西壮族自治区

  • 北海市
  • 广西壮族自治区

  • 南宁市
  • 广西壮族自治区

  • 崇左市
  • 广西壮族自治区

  • 来宾市
  • 广西壮族自治区

  • 柳州市
  • 广西壮族自治区

  • 桂林市
  • 广西壮族自治区

  • 梧州市
  • 广西壮族自治区

  • 河池市
  • 广西壮族自治区

  • 玉林市
  • 广西壮族自治区

  • 百色市
  • 广西壮族自治区

  • 贵港市
  • 广西壮族自治区

  • 贺州市
  • 广西壮族自治区

  • 钦州市
  • 广西壮族自治区

  • 防城港市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 乌鲁木齐市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 伊犁哈萨克自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克孜勒苏柯尔克孜自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 克拉玛依市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 博尔塔拉蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 吐鲁番市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 和田地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 哈密市
  • 新疆维吾尔自治区

  • 喀什地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 塔城地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 巴音郭楞蒙古自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 昌吉回族自治州
  • 新疆维吾尔自治区

  • 自治区直辖县级行政区划
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿克苏地区
  • 新疆维吾尔自治区

  • 阿勒泰地区
  • 江苏省

  • 南京市
  • 江苏省

  • 南通市
  • 江苏省

  • 宿迁市
  • 江苏省

  • 常州市
  • 江苏省

  • 徐州市
  • 江苏省

  • 扬州市
  • 江苏省

  • 无锡市
  • 江苏省

  • 泰州市
  • 江苏省

  • 淮安市
  • 江苏省

  • 盐城市
  • 江苏省

  • 苏州市
  • 江苏省

  • 连云港市
  • 江苏省

  • 镇江市
  • 江西省

  • 上饶市
  • 江西省

  • 九江市
  • 江西省

  • 南昌市
  • 江西省

  • 吉安市
  • 江西省

  • 宜春市
  • 江西省

  • 抚州市
  • 江西省

  • 新余市
  • 江西省

  • 景德镇市
  • 江西省

  • 萍乡市
  • 江西省

  • 赣州市
  • 江西省

  • 鹰潭市
  • 河北省

  • 保定市
  • 河北省

  • 唐山市
  • 河北省

  • 廊坊市
  • 河北省

  • 张家口市
  • 河北省

  • 承德市
  • 河北省

  • 沧州市
  • 河北省

  • 石家庄市
  • 河北省

  • 秦皇岛市
  • 河北省

  • 衡水市
  • 河北省

  • 邢台市
  • 河北省

  • 邯郸市
  • 河南省

  • 三门峡市
  • 河南省

  • 信阳市
  • 河南省

  • 南阳市
  • 河南省

  • 周口市
  • 河南省

  • 商丘市
  • 河南省

  • 安阳市
  • 河南省

  • 平顶山市
  • 河南省

  • 开封市
  • 河南省

  • 新乡市
  • 河南省

  • 洛阳市
  • 河南省

  • 漯河市
  • 河南省

  • 濮阳市
  • 河南省

  • 焦作市
  • 河南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 河南省

  • 许昌市
  • 河南省

  • 郑州市
  • 河南省

  • 驻马店市
  • 河南省

  • 鹤壁市
  • 浙江省

  • 丽水市
  • 浙江省

  • 台州市
  • 浙江省

  • 嘉兴市
  • 浙江省

  • 宁波市
  • 浙江省

  • 杭州市
  • 浙江省

  • 温州市
  • 浙江省

  • 湖州市
  • 浙江省

  • 绍兴市
  • 浙江省

  • 舟山市
  • 浙江省

  • 衢州市
  • 浙江省

  • 金华市
  • 海南省

  • 三亚市
  • 海南省

  • 三沙市
  • 海南省

  • 儋州市
  • 海南省

  • 海口市
  • 海南省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 十堰市
  • 湖北省

  • 咸宁市
  • 湖北省

  • 孝感市
  • 湖北省

  • 宜昌市
  • 湖北省

  • 恩施土家族苗族自治州
  • 湖北省

  • 武汉市
  • 湖北省

  • 省直辖县级行政区划
  • 湖北省

  • 荆州市
  • 湖北省

  • 荆门市
  • 湖北省

  • 襄阳市
  • 湖北省

  • 鄂州市
  • 湖北省

  • 随州市
  • 湖北省

  • 黄冈市
  • 湖北省

  • 黄石市
  • 湖南省

  • 娄底市
  • 湖南省

  • 岳阳市
  • 湖南省

  • 常德市
  • 湖南省

  • 张家界市
  • 湖南省

  • 怀化市
  • 湖南省

  • 株洲市
  • 湖南省

  • 永州市
  • 湖南省

  • 湘潭市
  • 湖南省

  • 湘西土家族苗族自治州
  • 湖南省

  • 益阳市
  • 湖南省

  • 衡阳市
  • 湖南省

  • 邵阳市
  • 湖南省

  • 郴州市
  • 湖南省

  • 长沙市
  • 甘肃省

  • 临夏回族自治州
  • 甘肃省

  • 兰州市
  • 甘肃省

  • 嘉峪关市
  • 甘肃省

  • 天水市
  • 甘肃省

  • 定西市
  • 甘肃省

  • 平凉市
  • 甘肃省

  • 庆阳市
  • 甘肃省

  • 张掖市
  • 甘肃省

  • 武威市
  • 甘肃省

  • 甘南藏族自治州
  • 甘肃省

  • 白银市
  • 甘肃省

  • 酒泉市
  • 甘肃省

  • 金昌市
  • 甘肃省

  • 陇南市
  • 福建省

  • 三明市
  • 福建省

  • 南平市
  • 福建省

  • 厦门市
  • 福建省

  • 宁德市
  • 福建省

  • 泉州市
  • 福建省

  • 漳州市
  • 福建省

  • 福州市
  • 福建省

  • 莆田市
  • 福建省

  • 龙岩市
  • 西藏自治区

  • 山南市
  • 西藏自治区

  • 拉萨市
  • 西藏自治区

  • 日喀则市
  • 西藏自治区

  • 昌都市
  • 西藏自治区

  • 林芝市
  • 西藏自治区

  • 那曲市
  • 西藏自治区

  • 阿里地区
  • 贵州省

  • 六盘水市
  • 贵州省

  • 安顺市
  • 贵州省

  • 毕节市
  • 贵州省

  • 贵阳市
  • 贵州省

  • 遵义市
  • 贵州省

  • 铜仁市
  • 贵州省

  • 黔东南苗族侗族自治州
  • 贵州省

  • 黔南布依族苗族自治州
  • 贵州省

  • 黔西南布依族苗族自治州
  • 辽宁省

  • 丹东市
  • 辽宁省

  • 大连市
  • 辽宁省

  • 抚顺市
  • 辽宁省

  • 朝阳市
  • 辽宁省

  • 本溪市
  • 辽宁省

  • 沈阳市
  • 辽宁省

  • 盘锦市
  • 辽宁省

  • 营口市
  • 辽宁省

  • 葫芦岛市
  • 辽宁省

  • 辽阳市
  • 辽宁省

  • 铁岭市
  • 辽宁省

  • 锦州市
  • 辽宁省

  • 阜新市
  • 辽宁省

  • 鞍山市
  • 重庆市

  • 重庆市

  • 市辖区
  • 陕西省

  • 咸阳市
  • 陕西省

  • 商洛市
  • 陕西省

  • 安康市
  • 陕西省

  • 宝鸡市
  • 陕西省

  • 延安市
  • 陕西省

  • 榆林市
  • 陕西省

  • 汉中市
  • 陕西省

  • 渭南市
  • 陕西省

  • 西安市
  • 陕西省

  • 铜川市
  • 青海省

  • 果洛藏族自治州
  • 青海省

  • 海东市
  • 青海省

  • 海北藏族自治州
  • 青海省

  • 海南藏族自治州
  • 青海省

  • 海西蒙古族藏族自治州
  • 青海省

  • 玉树藏族自治州
  • 青海省

  • 西宁市
  • 青海省

  • 黄南藏族自治州
  • 黑龙江省

  • 七台河市
  • 黑龙江省

  • 伊春市
  • 黑龙江省

  • 佳木斯市
  • 黑龙江省

  • 双鸭山市
  • 黑龙江省

  • 哈尔滨市
  • 黑龙江省

  • 大兴安岭地区
  • 黑龙江省

  • 大庆市
  • 黑龙江省

  • 牡丹江市
  • 黑龙江省

  • 绥化市
  • 黑龙江省

  • 鸡西市
  • 黑龙江省

  • 鹤岗市
  • 黑龙江省

  • 黑河市
  • 黑龙江省

  • 齐齐哈尔市