用天体测量方法探测宜居带系外行星

论文摘要

自从20世纪末人们发现的第一颗系外行星,系外行星科学已成为天文学研究的热点。目前,人们已经发现了数千颗系外行星。这些行星系统所带来的丰富信息已经使得我们对于行星系统的形成和演化有了越来越深刻的理解。系外行星研究领域中的热点问题之一就是寻找到宜居带行星,这不仅是在为我们寻找另外一个家园,也有助于回答“我们从哪儿来?”等重大科学问题。如今,人们已经在发现了数十颗宜居带行星。但是遗憾的是,这类行星大多数缺少完整的参数信息,特别是质量信息。例如,传统的视向速度方法只能测量行星的最小质量。这就为我们研究这些行星的性质以及以及行星宜居性的研究带来了困难。我们迫切需要一种能够精确获得行星参数的方法。天体测量法作为古老的天文方法,在确定天体轨道,天体质量方面发挥了重要作用。并且天体测量法可以同时获得行星质量以及行星轨道参数。天体测量法探测系外行星需要很高的探测精度。近几年来,天体测量方法的探测精度已经得到了很大的提高。2013年,ESA发射了 Gaia卫星,将天体测量的精度提升到了μas的量级,这就为我们探测行星系统带来了可能。为了利用好未来天体测量时序数据,我们研究了如何从天体位置信号中提取到行星的质量和轨道信息。我们建立了一套数据处理方法,用来拟合多行星系统中各个行星的轨道参数。经过验证,这一方法能够得到行星的轨道参数和质量信息。但是,我们在模拟过程中发现,就Gaia目前的精度,对于对500pc以内的类木行星能提供更完备的行星参数,但是对于类地行星,尤其是对于宜居带类地行星,探测精度仍然不够。因为天体测量法可以提供更完备的行星参数,我国也在计划着下一代更高精度的天体测量卫星-HEPS（Habitable ExoPlanets Survey）。HEPS卫星精度达到了亚微角秒量级,预计对距离我们30pc之内的类太阳恒星系统中探测到宜居带类地行星。因此,我们模拟了太阳系附近的已探测到行星的系统的天体测量信号,并且用我们的拟合方法对行星参数进行了反演。我们的模拟结果为HEPS未来的观测提供了观测候选体。同时,我们针对了不同的多行星系统,分析了影响宜居行星探测的因素。我们发现一颗行星的被探测到的概率和行星的信噪比,观测的时间间隔,观测持续的时间以及行星系统中其他行星都有关系。我们通过模拟给出了这些影响因素的近似表达式。这一近似结果不仅可以用在我们为HEPS提供的观测目标上,还可以拓展应用到其他的观测目标,以估计宜居带行星的探测概率,甚至可以拓展到其他天体测量项目上的分析,比如对Gaia卫星探测结果的分析上。本文基于HEPS的观测模式,对宜居带行星系统进行了天体测量信号的模拟和拟合,通过拟合结果的好坏,挑选最适合HEPS观测的源,并且分析了影响拟合结果的因素,根据这些因素我们就可以优化观测方法,对未来的天体测量计划和数据处理方法有重要的参考意义。在第一章中,我们回顾了探测宜居带系外行星的历史,特别是人们在研究宜居带行星方面做出的努力。通过对比分析目前探测宜居带类地行星的各种方法,强调了天体测量方法在探测宜居带系外行星方面的优势,并梳理天体测量法探测系外行星的现状,介绍未来更高精度的天体测量项目。在第二章中,我们介绍了行星引起的恒星的位移信号,天体测量方法探测系外行星的观测量,以及我们处理天体测量数据,反演行星轨道参数的流程。即我们首先建立了一个包括视差、自行的恒星空间运动模型来描述恒星的运动,结合HEPS的误差模型,模拟出恒星的天体测量实测信号,然后通过蒙特卡洛模拟和Levenberg-Marquardt方法建立了一套快速有效得到行星轨道参数的方法。在第三章中,我们将天体测量信号模拟和行星参数反演方法应用到类太阳恒星周围宜居带类地行星的探测中。我们首先提出了利用行星探测概率来作为衡量天体测量方法探测行星好坏的标准,然后研究了行星的信噪比和多行星系统中其他行星对宜居带行星探测概率的影响。在第四章中,我们将结合Gaia DR2的数据考察真实的行星系统,通过在这些系统中计算宜居带行星探测概率,我们为未来的天体测量项目（比如HEPS）提供观测目标候选体。同时,我们会研究数据采样间隔和观测持续时间对探测概率的影响。最终我们得到一个和行星信噪比、系统中其他行星的质量和半长径以及不同观测策略相关的对宜居带行星探测概率的估计公式。最后,在第五章中,我将总结前述的工作并讨论天体测量法除探测宜居带行星之外,还可以提供哪些关键信息,有助于解决目前系外行星领域中的哪些科学问题。通过这些科学问题的梳理,总结天体测量法在系外行星领域可能取得的重要突破,并对个人的后续研究计划进行展望。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 余周毅

导师: 周济林

关键词: 天体测量,多行星系统,行星探测,数值方法

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 南京大学

分类号: P15

DOI: 10.27235/d.cnki.gnjiu.2019.000113

总页数: 121

文件大小: 9165k

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