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凌日巡天-系外行星觀測

凌日系外行星巡天衛星(Transitioning Exoplanet Survey Satellite, TESS )在臺灣時間2018年4月19日上午6:51分發射成功。TESS預計將接替克卜勒太空望遠鏡,進行系外行星搜尋工作,預計將發現超過20000顆系外行星,而目前已知的僅有3725顆,其中由克卜勒太空望遠鏡所發現的就佔2335顆。

封面圖、TESS的觀測方式:將天球分成26個區域,每27天轉一個角度觀測

圖一、TESS任務希望發現系外行星



  一直到17世紀,人們才真正開始接受地球繞著太陽轉的事實。由於太陽僅僅是浩瀚宇宙千百億星體中的一顆渺小恆星,對於「太陽系以外是否有行星存在?」,文人哲士們也從未停止爭論。然而,要直接觀測到遙遠的系外行星非常不容易,縱使行星會反射恆星光線,其微弱程度有人形容:「就好像從臺灣北部遙望在鵝鑾鼻燈塔旁的小螢火蟲。」也因而直到1995年才有第一顆系外行星被確認。

  18世紀後期以來,天文學家利用古典力學中的「重力二體問題(gravitational two-body problem)」,也就是兩質點因為重力,而圍繞同一質心旋轉的情況,長時間觀察並記錄天空,希望藉由觀測恆星在天空中位置的變化,來發現另一星體,這個技巧一般稱作「天體測量學 (astrometry)」。

  這項技巧在觀測「聯星」上取得了相當不錯的效果,如1844 年發現夜空中最明亮的天狼星,其實是雙星系統。但由於行星與恆星的質量差距過於懸殊,致使位置變化量不足。當年僅靠天文望遠鏡和人工紀錄,所得到的資料準確度都不高,兩百年來的觀測,也僅有一顆在2002 年被哈伯太空望遠鏡證實。時至今日,望遠鏡們都更新更先進,也有一些較精確的天體測量可以發現系外行星,但數量則遠不及接下來要介紹的方法。



圖二、TESS觀測衛星

  根據哈伯定律,科學家們普遍相信宇宙正處於加速膨脹狀態,其中最有利的證據便是觀測到恆星光譜普遍具有「紅移」現象,根據「都普勒效應」可知,恆星正在加速遠離地球。而此效應也被用來檢測星球的「徑向速度(radial velocity)」,也就是透過恆星垂直於地球方向的速度變化,來估計行星質量。然而徑向速度法最大的困難在於:行星並不總是恰好通過恆星與地球之間。因此,可能發生估計質量僅有真實質量20%的情形,此時若能搭配凌日法得知行星體積,便能更精確地知道行星質量與密度。



圖三、TESS觀測對象以數量最多的M型恆星(跟太陽一樣的紅矮星)



  當從地球觀測到有行星自恆星面前飛越時,這個現象就被稱作「凌日(transit)」。如水星平均一百年出現13 次凌日,此時,我們觀測到的太陽亮度就會降低。2013 年結束任務的克卜勒太空望遠鏡,在長期監控高達14 萬顆恆星之下,才有如此豐碩的成果。





  現今各種系外行星探測法中,以凌日法收穫最豐。在科學家努力不懈、苦苦追尋下,是否真能發現外星同伴呢?隨著TESS 升空,其觀測面積將是克卜勒太空望遠鏡的20 倍,能監測約200 萬顆恆星亮度變化。也許再過不久,就會出現其他高等文明存在的科學證據了呢!



Reference:

[1]【TESS 】凌日系外行星巡天望遠鏡

https://www.facebook.com/ChasingStar.tw/posts/449830788810107

[2] Exoplanet and Candidate Statistics

https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/docs/counts_detail.html

[3] 尋找系外行星的方法

http://pb.psroc.org.tw/catalog/ins.php?index_m1_id=5&index_id=16

[4]系外行星偵測法

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B3%BB%E5%A4%96%E8%A1%8C%E6%98%9F%E5%81%B5%E6%B8%AC%E6%B3%95

[5]二體問題https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%BA%8C%E9%AB%94%E5%95%8F%E9%A1%8C

[6]太陽系外行星https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%AA%E9%99%BD%E7%B3%BB%E5%A4%96%E8%A1%8C%E6%98%9F

[7]克卜勒太空望遠鏡https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%8B%E5%8D%9C%E5%8B%92%E5%A4%AA%E7%A9%BA%E6%9C%9B%E9%81%A0%E9%8F%A1

[8]TESS Exoplanet Mission

https://www.nasa.gov/tess-transiting-exoplanet-survey-satellite



封面圖、TESS的觀測方式:將天球分成26個區域,每27天轉一個角度觀測

https://www.facebook.com/ChasingStar.tw/photos/pcb.449830788810107/449830498810136/?type=3&theater

圖一、TESS任務希望發現系外行星

https://www.nasa.gov/content/tess-images

圖二、TESS觀測衛星

https://www.nasa.gov/content/tess-images

圖三、TESS觀測對象以數量最多的M型恆星(跟太陽一樣的紅矮星)

https://www.nasa.gov/content/tess-images

圖四、TESS觀測行星凌日概念圖

https://www.nasa.gov/content/about-tess

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