脉冲星行星 Pulsar Planets
1991年，两个脉冲星研究小组报道了不可能的脉冲 星行星 A British group led by Australian Matthew Bailes 发 现 pulsar PSR1829-10 的脉冲在周期振动：脉冲的 到达时间在最小值和最大值之间变化 An American group discovered the same for pulsar PSR B1257+12：即脉冲信号存在周期性提前和推迟 第一个小组的计算错误，行星是由于程序错误生成的。 但是第二个小组的结果是真实的：PSR1257+12 的 确有两个环绕它运动的行星！这两个行星的合成引力 使得脉冲星来回摆动, 从而改变脉冲的到达时间!
到了1995年......
瑞士天文学家马约尔（Mayor）和 奎洛兹（Queloz）令世人惊骇地
宣布
第一颗真正的系外行星找到了！
几十年的辛勤工作，多普勒测量技术提高到惊 人的每秒几米的精度！ 但仍然不足以找到像木星这样的行星，所以它 们并不奢望发现行星
• 他们只是希望发现环绕邻近恒星转动的矮星或褐矮 星
• 一个行星 r~1000km， • 许多尘埃 r~1微米
尘埃反射星光的总亮度是一个行星的1012 倍
• 每块岩石的（反射）亮度正比于r2，岩石的数目反 比于r3
Another dust disk ( the cross is the coronagraph).
• Left：from the Ground, • Right： from HST
尘埃盘(Dust Disks)暗示行星的存在
目前最好的望远镜实际上“看不到”恒星周围 的行星，特别是处在地球这样位置的地球这样 的行星 第一条线索是太阳系形成的理论：太阳系被认 为是产生于一个环绕着恒星的由气体和尘埃组 成的转动着的吸积盘 所以，如果我们的理论正确，我们应该在宇宙 中别的地方看到类似的盘，行星可能从中产生 尘埃盘十分常见，事实上所有新诞生的恒星都 有
目前COROT精度高达万分之几！
由恒星亮度的变化可推算出行星的大小 由于掩食，对此行星的了解要多于其它系外行 星。他的体积比木星稍大，但是质量更小，说 明其密度很低，甚至低于土星（太阳系密度最 低的行星）
系外行星探测技术5：微引力透镜法
当一颗恒星 及其行星从 远处背景恒 星前经过时， 引力透镜效 应增强背景 恒星的亮度， 从而能够显 示恒星及其 行星的存在
The Data for HD 209458
And here is the data: notice how it gets fainter (by an awesome 1.5%) at just the correct time （1991年11月） Predicted onset of Eclipse
天体测量学 Astrometry
天体测量学：高精度测量恒星在天球上的位 置移动
• 通常被认为是天文学中最枯燥最令人厌烦的学科： 年复一年地监测某颗恒星在天球上的位置来搜索 它的摆动
测量恒星的微小摆动非常困难，已有几十年How can we use this?
艰苦而迟缓的观测工作
大多数人放弃了多普勒效应这种技术，因为要 求的精度比大多数人所能得到的精度要高1000 倍之多！ 但仍有少数不被天文界注意的小组孜孜不倦数 十年来提高这种技术的精度，降低测量误差
• 补偿望远镜温度变化所产生的误差 • 模拟并改正大气条件变化（最困难，自适应性光学） • 逐步改进仪器和数据分析技术
多普勒效应发挥威力
视向速度测量 radial velocity measurements： 应用多普勒效应高精度测量恒星靠近或远离我 们的速度（即恒星的视向运动） 由多普勒效应得到恒星的反射运动的精度远远 高于天体测量方法 绝大部分系外行星由此方法间接发现
系外行星探测技术4：行星掩食法
当行星运行到恒星前面时，会遮挡很小 一部分恒星光，而使得恒星周期性地变 暗 事实上并未 看到行星
但有一特殊恒星， 51 Pegasi (飞马座) （类似 于太阳的正常G 型星），的确在行为奇怪 地……
第一颗系外行星真奇怪
飞马51恒星视向速度变化超过100米/秒，周期 4.2天。速度变化大的两种可能：
• either by something massive (a dwarf star?) orbiting far away from 51 Peg • from something smaller (like Jupiter?) orbiting very close in
如果观测到一个恒星在做某种轨道（反射）运 动，我们可以确定
• 恒星运动的轨道周期 • 恒星运动的轨道速度
由此可以确定引起反射运动的天体（行星）的 质量和其到做反射运动天体（恒星）的距离
从32.6光年处 所看到的由木 星的引力所造 成的太阳的位 置移动
系外行星探测技术3：视向速度法
Here is their latest data on 51 Peg - not much doubt about this wiggle!
北落师门：1等亮星，距离 25光年，年龄1-3亿年 偏心的椭圆尘埃残骸盘（~ 柯伊伯带） 25等行星 共同的自行 围绕北落师门公转周期 ~870年 距北落师门199AU~海王星 HST，日冕仪，600nm 到太阳距离的4倍 质量 < 3倍木星
HR 8799bcd：放大版的太阳系
HR 8799：飞马座6等星， 距离130光年，年龄约 6000万年 dcb分别在24、38和68个 天文单位处绕恒星转动， 周期100、190和460年， 质量分别为木星的10、10 和7倍 同一轨道平面内逆时针旋 转（垂直视线） 褐矮星？与行星的区别定 义？
天文学导论
第6讲 讲 系外行星与地外生命
Exoplanets (planets around other stars)
本讲内容
1. 引言：系外行星存在的证据 2. 方法：探测系外行星的5大技术 3. 历史：不该有行星的脉冲星 4. 特征：系外行星与太阳系大不同 5. 方向：寻找类地行星的宏伟计划 6. 目的：搜寻地外生命与智慧生物
猎户星云中正在形成行星的地方： 猎户星云中正在形成行星的地方：尘埃盘轮廓
新形成恒星 ionized oxygen (blue), hydrogen (green), and nitrogen (red)
热气体的 光学发射 线
太阳系大小
猎户星云中的侧对地球的原行星盘
热气体的光学发射 线（兰、绿、红） 发射线被滤掉
无论哪种情况，如此快速的轨道运动（周期4.2 天）说明这个天体不仅小而且十分靠近51 Peg! 这个不可见的天体质量约为木星的一半（两倍 土星，但它环绕51 Peg 运动的距离仅有 0.05 AU: 比水星到太阳的距离还要近8倍左右！
第一个发现的系外行星却呆在不该呆的地方 Finally, in 1991, the first success - a definite discovery of planets outside our solar system, using the reflex motion technique 但仍有一个障碍：这个行星位于一个不应该有 行星的一个中子星旁 正常的大质量恒星爆炸（超新星爆发）后形成 中子星。任何恒星原有的行星会被超新星的冲 击波蒸发掉或被抛到星际空间。中子星是恒星 爆炸后所遗留下来的致密天体，应该绝对不会 有行星的
OGLE-2005-BLGOGLE-2005-BLG-390
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3。系外行星早期探测的曲折历程
早期的系外行星探测利用天体测量学技术 1969年，van de Kamp 声称探测到了一个很 近的矮星 Barnard’s Star（巴纳德星）的周期 摆动：
• 由两个木星质量大小的行星引起，一个轨道周期为 12年，另一个26年
为什么不用最好的望远镜去看一看邻近的恒 星有没有行星? 有没有“地球”? 有没有 “人”？ 问题是行星很黯淡，十分靠近它们的恒星， 恒星比行星要亮109倍
This planet is quite faint anyway But having its star nearby makes it almost completely invisible
6个直接成像系外行星与太阳系的比较
系外行星探测技术2：天体测量学法
原理：考虑双星系统围绕它们的共同质心转动
Centre of Mass D M1 R1 V1 R2
V2 M2
恒星的反射（Reflex Motion）运动或称摆动
恒星和它的行星环绕它们的共同质心转动。如 果质量相等，则转动中心在两者中间；实际上， 恒星质量远大于行星，所以转动中心更靠近恒 星（甚至在其内部） 当行星旋转时，恒星沿较小的轨道旋转，但两 者的轨道周期相等 恒星轨道的大小取决于行星的质量和两者之间 的距离。大质量行星（如木星）使恒星的运动 显著。行星越靠近恒星，则恒星的摆动越大 所以，原则上即使看不到行星，我们也能从恒 星的运动得知行星的存在
人们质疑：如何仅用10年数据得到12年或26 年的摆动周期？并且也没得到进一步确认 此结果虽广为流传，但是相信它的人越来越少
1983年，Harrington 等声称发现 star VB8 更 大的摆动。这一次引起摆动的行星质量必须很 大,估计为木星的50倍 两年后，McCarthy 声称真正观测到了这颗行 星：利用斑点干涉测量法（speckle interferometry）过滤掉明亮的恒星光 许多人企图重复他们的结果，都未成功 “是不是外星人意识到地球人在注视他们而隐 藏起来了？” 结果是，寻找系外行星在天文界变得臭名昭著
1995年以前，我们对类太阳恒星是否有行星环 绕一无所知 但现在已经是今非昔比了……
多普勒效应成就了地球人的梦想！
如果恒星有行星绕转，恒星则会前后摆动 ， 因此恒星的辐射波长会周期性地变大和变小 但是，波长变化很小，木星对太阳的影响为大 约10米/秒，对其它行星则更小 当时世界上最好望远镜的多普勒测量精度大约 是100米/秒（？） 相对地，脉冲星的脉冲到达时间的周期性提前 和延迟更容易捕捉