天文
中国科学家用径向速度法探测系外行星
尽管我们已经发现了成千上万颗，但系外行星仍然难以发现。其中某些类型的行星比其他类型更难找到。自然地，我们最想找到的一些行星也是最难找到的。我们能做些什么呢?
继续努力工作，这正是中国三位科学家正在做的。
科学家们有四种方法来探测系外行星。凌日法是最多产的，但也有径向速度法、天测法和直接成像法。每一种方法的工作原理各不相同，都有不同的优势和劣势，在发现不同类型恒星周围的某些行星方面表现更好。
我们最大的兴趣是找到邻近恒星适居带内的类地行星。随着搜索的继续，四种方法中哪一种能够取得最好的结果呢?
三位中国科学家试图确定答案。他们的论文“不同方法发现邻近适居带内行星的潜力”总结了研究结果，发表在《天文学和天体物理学报》上。第一作者是南京大学天文与空间科学学院的Hao Qiao-Yang。
“邻近恒星适居带内的类地行星极具研究意义，可以很好地研究其适居性特征”，作者写道。我们找到的行星越多，就能越好地理解它们，然后用这些理解来找到更多行星。但是这项研究并不涉及实际的行星搜寻工作。
研究人员从盖亚星表中选取了距离内20秒差距即约65光年内的2234颗主序星样品。样本排除了褐矮星和白矮星。然后他们推导出所有这些恒星的扩展适居带。最后，他们通过向每个适居带注入类地行星来进行模拟。
这为最后一步奠定了基础。他们确定这2234颗行星将向四种行星探测方法发送的信号:径向速度法的速度振幅、凌日法的凌日概率和深度、天测法的恒星位移以及成像法的对比度和角分离。然后，他们“预测在最理想的假设场景下，不同方法可能检测到的类地行星的最大数量”。
为什么要关注邻近恒星?无论行星猎人使用何种方法，系外行星距离地球越近就越容易发现，也更容易确认。它们也更容易被JWST等望远镜进行后续观测，这可以表征系外行星的大气并检测可能的生物迹象。
确定这些恒星周围的适居带是很困难的，事实上几乎不可能。“一个适居带很难精确确定，因为它不仅取决于恒星光谱和恒星活动，还取决于行星大气”，作者写道。为了简化问题，他们使用了扩展适居带，这增加了行星存在于适居带中的概率。内边界定为“近期金星”，外边界定为“早期火星”。
“由于我们采用了扩展适居带，我们假设适居带内类地行星的发生率为1，并在每个恒星周围的适居带内放置一个类地行星”，作者解释道。这并不意味着他们预期会有这么多理想的系外行星。这只是给他们提供了一个更完整的样本来获得更好的结果。
“内边界和外边界的平均位置分别为0.22 au和0.43 au”，论文指出。这听起来非常接近，但大多数恒星都是较冷的M型矮星，它们的适居带比我们的太阳更接近，因为太阳是光度更高的主序星。
这项研究的重点是来自所有这些行星的四种探测方法所接收到的信号。
凌日法一直是我们最多产的系外行星探测方法，检测到信号的概率也反映了这一点。然而，凌日法只在几何条件合适的情况下才有效。凌日行星必须在它和它的恒星之间经过。其他方法没有同样的局限性，尽管径向速度法也不是完全独立于几何条件的。
在模拟中检测到的所有行星中，凌日法首先发现了24颗。然而，由于凌日法擅长发现距离母星较近的行星，这24颗行星都过于靠近它们的母星，不在适居带内。
研究结果显示，径向速度法是最有效的。我们最敏感的径向速度仪器是ESO的ESPRESSO，即旨在观测岩石系外行星和稳定光谱的黄道曛谱仪。由于它是我们最好的仪器，研究人员在模拟中使用了它的灵敏度。ESPRESSO能多容易地检测到样品中的行星呢?
在研究的20秒差距半径内，径向速度法使用ESPRESSO检测到了252颗行星，其中221颗来自于ESPRESSO。其中4颗是类地行星。
ESPRESSO的结果显示，红线代表ESPRESSO灵敏度的1/2，灰线代表2倍ESPRESSO灵敏度，反映了未来仪器进行更有效搜寻所需的灵敏度。
天测法是探测系外行星最敏感的方法之一。它依靠检测行星围绕母星运转引起的恒星微小晃动。这就是ESA的盖亚任务的工作方式，在不久的将来，还将有几个天文台使用天测法。模拟显示天测法倾向于在大质量恒星周围发现适居带行星，但当前的天测法灵敏度还不足以检测大约98%的20秒差距内行星。
盖亚天测法方法与用于发现系外行星的天测法之间存在关键区别。盖亚使用绝对天测法测量恒星，但发现系外行星使用的是相对天测法。天测法测量位移，单位是微角秒。“我们发现20秒差距内超过98%的最大恒星位移都在1微角秒以下”，作者写道。这意味着我们需要更高的精确度来检测到更多系外行星。
最不精确的灰线检测到5颗适居行星，蓝线精确度更高，预计数量增加到30颗，包括7颗G型恒星周围和10颗M型恒星周围的行星。红线代表最精确的天测法，预计数量变为511颗，包括116颗和174颗分别环绕G型和M型恒星的行星。
天测法具有最大潜力去发现围绕类太阳恒星适居带的类地行星，但前提是需要更高的精确度。
最后，研究人员模拟了直接成像结果，这种方法还处于初级阶段。它最适合检测距离母星较远、仍在发出红外线的年轻行星。直接成像有几个子类型，总共发现了约30颗行星。
行星猎人科学家使用直接成像在20秒差距内发现了6颗系外行星。这听起来效果可能不大，但与其他方法相比，直接成像有一些优势。它不受行星倾角的影响。但与其他方法相比，直接成像更复杂，因为它需要同时考虑对比度和角分辨率。直接成像可以使用可见光和红外线。
结果显示，直接成像在发现环绕G型或类太阳恒星的行星方面表现优异。
“在可见光波段，预测的行星数量为159颗，其中92颗围绕G型恒星”，作者写道。红外直接成像甚至更高产，发现191颗行星，其中106颗围绕G型恒星。
在发现邻近恒星适居带内的系外行星方面，每种方法都有其优势和劣势，在发现不同类型恒星周围的行星方面效果各异。
这篇论文是初步比较不同探测方法潜力的努力。出于必要，它基于一些理想化假设，部分基于未来仪器灵敏度的提高。其目的是帮助制定“选择目标和设计四种不同方法的精密要求”的框架。
寻找系外行星的工作没有放慢的迹象。为什么会呢?找到类地适居带行星是我们最有意义的科学追求之一。
该模拟基于每颗20秒差距内主序星的适居带内都存在类地行星。所以结果中的具体数字可能不准确。但这实际上并不是重点。
未来的仪器必然会更敏感，包括LUVOIR和HabEx。所以这项研究展示了我们如何使用未来仪器取得最大成功的可能性，并为此奠定了基础。
本文译自 Universe Today，由 BALI 编辑发布。