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一闪一闪小行星——系外行星的射电辐射探测

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生活在太阳系的我们是否曾好奇过——

太阳系外的行星是什么样的?


系外行星是天文学中的一个热门话题,而第一次确认观测到系外行星则是在1992年。

系外行星的搜寻和观测方法大多是间接测量,比如凌星测量是通过测量系外恒星光度的周期性变暗来推测恒星周围行星的各项参数。


之所以间接测量是因为直接测量太困难,在星系距离的尺度下,使用光学方法,对于一个系外星系里的闪耀的恒星旁边的自己不会发光的小天体(行星)直接成像实在是太难了。

行星射电

——直接测量来自行星的辐射

而从射电上就可以实现直接探测,最早比较系统讨论系外行星射电辐射探测方法是Philippe Zarka在2006年发表的这篇文章:Plasma interactions of exoplanets with their parent star and associated radio emissions。

这篇文章的主要想法是,我们能看到木星有很强的射电辐射:


这些辐射的流量远高于宁静太阳,有时候甚至可以达到一些弱的太阳射电暴的亮温度。

这些来自木星的射电辐射是由木星的卫星和其轨道附近的等离子体相互作用产生的,在射电波段的成像观测可以发现来自木星的射电辐射其实不是来自木星本体,而是木星周围的卫星(Io)。


从辐射机制上来说,木星上辐射产生的基本条件是有强磁场,同时在较近的距离上有卫星天体。卫星天体和强磁场中的等离子体相互作用产生射电辐射。这样的辐射机制如果不是在[木星-卫星]系统上,而在[恒星-行星]系统上的话,产生的辐射就会大好几个数量级。这种情况在[太阳-行星]系统里不存在,因为太阳磁场不够强,而且小行星离得太远,不足以产生这种机制的辐射。

那么,宇宙中那么多星系,肯定也至少也得有几个满足这种条件的[恒星-行星]系统,形成在射电天空中一闪一闪亮晶晶的行星。

论证这种探测方法可行的重要论据是,如果把木星放在很远很远的地方,我们依然是有能力使用现有的仪器观测到的。

如下图:


图中的线表示不同天体在地球观测到的射电强度。

几个红色箭头分别标记了,木星的宁静辐射,射电暴辐射以及把1e3 和1e5被射电暴辐射放得很远很远时候的辐射强度。图中可见,如果在太阳系外,存在比木星更强的行星射电辐射源,即使在10pc的距离下,使用现有的仪器(LOFAR),仍然可以观测到,后面也有一些关于该方法探测系外行星的进一步论证。

可以说这是对于木星射电辐射的成像和频谱观测,给系外行星的探测提供了全新的思路

2020年

成功观测!

以上从理论上证明了,使用射电望远镜可以观测到行星射电暴。

然后最近真的观测到了:


结果发表在Nature Astronomy上。【Coherent radio emission from a quiescent red dwarf indicative of star–planet interaction】。PhysOrg对此也做了专题报道 。

观测的主要结果是这样一张图:


也就是行星的射电流量变化。

可以说这次成功的观测开启了系外行星观测的全新篇章:系外行星射电辐射探测

题外话

光学望远镜的空间分辨率和最小观测亮度受限制于口径,一架光学望远镜在造好的那一刻,其上限就已经确定了,不管后期如何升级电子采集和成像算法,其分辨能力都不可能超过望远镜口径对应的衍射极限。而射电望远镜,有很好的扩展性,只要时钟对齐就可以做干涉,所以有EHT把世界上几个大洲的射电望远镜连起来给M87黑洞成像达到光学都无法实现的角分辨率。


END

参考资料及图片来源:

1. https://earthsky.org/space/how-do-astronomers-discover-exoplanets

2. Image of Jupiter's radiation belts mapped from 13,800-megahertz radio emission measured by the U.S. Cassini orbiter in January

3. https://www.researchgate.net/publication/323334810_The_search_for_radio_emission_from_exoplanets_using_LOFAR_beam-formed_observations_Jupiter_as_an_exoplanet

4. https://phys.org/news/2020-02-lofar-exoplanet-environments.html

5. https://www.pexels.com/zh-cn/photo/galaxy-3805983/

撰稿:张沛锦

美编:江陵


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