關於支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章,請考慮訂閱以支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱,您正在幫助確保未來能夠繼續產出關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的報道。
2008年末,兩個團隊同時宣佈他們已經成功直接拍攝到圍繞遙遠恆星(也稱為系外行星)執行的行星,引起了轟動。儘管在銀河系中已經發現了數百顆圍繞類太陽恆星執行的系外行星,但它們都是透過間接手段發現的——天文學家透過觀察行星伴星在其母恆星上引起的亮度變暗效應或引力擺動來推斷行星的存在。在少數其他情況下,人們觀察到一顆候選行星靠近恆星,但尚未證實它遵循類行星軌道。
2008年,對圍繞北落師門星和HR 8799恆星執行的兩個行星系統的開創性觀測依賴於該領域一些最強大的天文臺——北落師門星團隊使用了環繞地球執行的哈勃太空望遠鏡;HR 8799是由夏威夷的凱克望遠鏡和雙子座北望遠鏡發現的,它們是地球上最大的天文臺之一。現在,4月15日出版的《自然》雜誌上的一篇論文表明,藉助技術輔助,觀測時間更充裕的小型望遠鏡也可以發現像HR 8799這樣的系統。(《大眾科學》是自然出版集團的一部分。)更重要的是,改進的技術還應該使凱克等更大的天文臺能夠從已經成像的少數幾顆巨行星(所有這些行星都以相對較遠的距離繞其主恆星執行)轉向更靠近的、更像我們自己行星的世界。(許多位於極近軌道的行星是透過間接手段發現的;而溫帶,即所謂的“金髮姑娘帶”,那裡可能存在類似地球的行星,已被證明是最難以捉摸的。)
直接對行星進行成像的挑戰在於,行星反射或發出的微弱光線與恆星的強烈輸出相比相形見絀,而且兩者在星際距離上顯得非常靠近。“我們的想法是在明亮的恆星附近獲得非常高的對比度,”研究報告的合著者、位於加利福尼亞州帕薩迪納的NASA噴氣推進實驗室的天體物理學家Eugene Serabyn解釋說。“你真的必須把一切都做好,因為如果你要尋找一顆地球,你尋找的東西只有恆星的百億分之一。”
因此,天文學家使用自適應光學技術,其中可變形鏡片校正大氣畸變,並使用稱為日冕儀的儀器來阻擋星光。但最原始的日冕儀可能會帶來併發症。“通常,人們會在恆星落下的地方放一個黑點,如果找不到更好的詞來形容的話,”Serabyn說。“所以你擋住了恆星的中心部分,而恆星周圍的東西則通過了黑點。”但是這個點遮蔽了恆星的近距離區域,而近距離軌道行星將位於那裡,並引入了衍射效應。因此,Serabyn的研究小組在加利福尼亞州帕洛瑪天文臺的海爾望遠鏡的一個小規模部分(稱為子孔徑)上安裝了一種相對較新的儀器,稱為渦旋日冕儀。
渦旋日冕儀不是依賴於與目標恆星對齊的不透明點,而是移動入射光波的相位,從而在影像中心(星光落下的地方)建立一個奇點或獨特的點。然後,這個相移光的中心點透過透鏡重定向到影像的外部,在那裡它可以被遮蔽掉,最終影像的中心只留下行星光。
藉助安裝在1.5米海爾孔徑上的渦旋日冕儀,研究人員能夠探測到HR 8799系統的三顆先前已知的行星。由於這些行星與它們的主恆星距離遙遠,因此成為良好的成像目標。HR 8799系統中三顆已知行星中最靠近的一顆行星的軌道距離在我們的太陽系中會將其夾在天王星和海王星之間;最遠的一顆行星的軌道距離會使其遠遠超出冥王星。Serabyn表示,在演示了該方法對寬軌道行星的有效性後,他希望在更大的望遠鏡上應用該概念,以尋找更靠近其恆星的世界。“我認為我們會做得更好,因為我們將獲得兩全其美的好處,”他補充道。
Christian Marois是加拿大國家研究委員會赫茨伯格天體物理研究所的天文學家,他在2008年領導了在10米凱克望遠鏡和8.1米雙子座北望遠鏡上對HR 8799的研究,他說“能夠僅用1.5米孔徑看到所有這三顆行星真是太了不起了。”Marois是一個致力於在智利8.1米雙子座南望遠鏡上建造類似的高科技行星成像儀的小組的成員,並且很高興看到Serabyn團隊的概念驗證。“我相信他們可能是第一個將所有部件組合在一起用於高對比度成像儀器的團隊,”他補充道。