因为时空弯曲,光线不以直线传播:可以找到更多黑洞和系外行星!

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美国宇航局广域红外巡天望远镜(WFIRST)将搜索太阳系外的行星,朝向我们银河系的中心,那里是大多数恒星所在的地方。研究系外行星世界的性质,将有助于我们了解整个银河系的行星系统是什么样子,以及行星是如何形成和演化的。将广域红外巡天望远镜的发现与美国宇航局(NASA)的开普勒望远镜和凌日系外行星调查卫星“苔丝”号(TESS)任务的结果结合起来:

将完成第一次对广泛的行星质量和轨道等信息的行星普查,使我们距离发现地球以外的宜居类地世界又近了一步。到目前为止,天文学家们已经发现了许多系外行星,当它们在被称为凌日的事件中从宿主恒星前面经过时,恒星的光线会暂时变暗。广域红外巡天望远镜数据也可以发现凌日,但任务将主要观察相反的效果:一种名为引力微透镜的时空弯曲现象使光线弯曲并产生微小辐射激增。

这些事件比凌日事件要少见得多,因为它们依赖于两颗相距甚远、互不相关的恒星在太空中漂移的偶然性排列。位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心引力微透镜小组的负责人大卫·贝内特(David Bennett)说:来自行星的微透镜信号罕见而短暂,但比其它方式发出的信号更强。由于这是万分之一的事件,广域红外巡天望远镜寻找低质量行星的关键是搜索数亿颗恒星。

时空弯曲的微透镜

此外,微透镜在发现宜居区内外的行星方面做得更好,宜居区是指行星表面可能存在液态水的轨道距离。当光线经过一个大质量天体体附近时,因为爱因斯坦的广义相对论效应,导致时空弯曲(扭曲)就会产生这种效果(如下3张演示图)。任何有质量的东西都会扭曲时空结构,有点像保龄球放在蹦床上时产生的凹痕。

光以直线传播,但如果时空发生弯曲(如这发生在像恒星这样的大质量物体附近)光就会沿着曲线运动。在任何时候,当两颗恒星从我们的有利位置近距离排列时,来自较远恒星的光线在穿过较近恒星的扭曲时空时会发生弯曲。这一现象是爱因斯坦广义相对论的预言之一,1919年英国物理学家亚瑟·爱丁顿爵士在一次日全食中证实了这一点。

如果排列特别近,较近的恒星就像一个天然宇宙透镜,聚焦和加强来自背景恒星的光线。围绕前景恒星运行的行星也可能会改变透镜光,充当它们自己的微小透镜。行星造成的扭曲,使天文学家可以测量这颗行星的质量和与其主恒星的距离,这就是广域红外巡天望远镜将如何使用微透镜来发现新是系外行星世界的原理。巴吞鲁日路易斯安那州立大学物理学和天文学助理教授马修·佩尼说:

今天试图解释行星数量,就像试图解读一幅一半被遮盖的图片一样。佩尼领导了一项预测广域红外巡天望远镜微透镜探测能力的研究,为了完全了解行星系统是如何形成的,需要找到近乎所有距离的行星。没有一种技术可以做到这一点,但广域红外巡天望远镜的微透镜测量,结合开普勒和TESS的结果,将揭示更多的情况。

熟悉又陌生的系外行星

到目前为止,已经发现了4000多颗确认的系外行星,但只有86颗是通过微透镜发现的。通常用来寻找其他星球的技术偏,向于那些与太阳系中行星非常不同的行星。例如,凌日方法最适合于寻找轨道比水星小得多的类海王星行星,然而对于我们这样的太阳系,凌日法可能会错过很多颗行星。

广域红外巡天望远镜的微透镜观测,将帮助天文学家找到太阳系中除水星以外每一颗行星的相似之处,水星的小轨道和低质量结合在一起,使其超出了任务范围。广域红外巡天望远镜将发现质量相当于地球甚至更小的行星,甚至可能是大卫星,比如木星的卫星木卫三。广域红外巡天望远镜还将在其他研究较少的类别中发现行星,微透镜最适合于从恒星的宜居带和更远的地方寻找系外行星。

这包括像我们太阳系中的天王星和海王星这样的冰川巨星,甚至还有流氓行星——自由漫游在银河系的世界,不受任何恒星的束缚。虽然冰川巨星在我们的太阳系中只占少数,但2016年的一项研究表明,冰川巨星可能是整个银河系中最常见的行星类型。广域红外巡天望远镜将对这一理论进行检验,并帮助我们更好地了解哪些行星特征是最普遍的。

银河系核心中隐藏的宝石

广域红外巡天望远镜将探索由于之前任务的不同目标,而尚未系统搜寻系外行星的银河系区域。例如,开普勒望远镜搜索了一个大约100平方度的中等大小区域,在大约1000光年的典型距离上有10万颗恒星。苔丝号(TESS)扫描整个天空,跟踪20万颗恒星,但它们的典型距离约为100光年。广域红外巡天望远镜将搜索大约3平方度,但将跟踪大约1万光年距离的2亿颗恒星。

由于广域红外巡天望远镜是一台红外望远镜,它可以直接看到阻碍其他望远镜研究银河系拥挤中心区域行星的尘埃云。到目前为止,大多数地面微透镜观测都是在可见光下进行的,这使得银河系的中心在很大程度上是未知的系外行星领域。自2015年以来,一项使用英国红外望远镜(UKIRT)在夏威夷进行的微透镜调查正在通过绘制该区域地图,为广域红外巡天望远镜的系外行星普查铺平道路。

UKIRT的观测首次提供了对星系核心微透镜事件速率的测量,星系核心是恒星最密集的地方。这些结果将帮助天文学家为广域红外巡天望远镜的微透镜工作选择最佳观测策略。UKIRT团队的最新目标是使用机器学习检测微透镜事件,这对广域红外巡天望远镜来说是至关重要的。这项任务将产生如此大量的数据,仅靠肉眼梳理是不切实际的,简化搜索将需要自动化的过程。

另外,UKIRT的结果指出了一种观测策略,该策略将揭示尽可能多的微透镜事件,同时避免最厚的尘埃云,因为这种尘埃云甚至可以阻挡红外光。田纳西州纳什维尔范德比尔特大学的天文学家萨凡纳·杰克林(Savannah Jacklin)曾领导过几项UKIRT研究:我们目前与UKIRT的观测正在奠定基础,以便广域红外巡天望远镜能够实施第一次基于空间的专用微透镜观测。

图示:开普勒和其他系外行星搜索工作已经发现了数千颗轨道较小的大型行星,图中红色和黑色的圆点代表了它们。广域红外巡天望远镜将发现质量范围更广的行星,其轨道距离它们的主星更远,如蓝点所示。

以前的系外行星任务扩大了我们对行星系统的了解,广域红外巡天望远镜将使我们朝着真正了解行星,特别是那些位于其宿主恒星宜居带内的行星,是如何形成和演化的迈进了一大步。

从褐矮星到黑洞

同样的微透镜观测将揭示数千颗行星,还将探测到数以百计的其他奇怪而有趣的宇宙物体,科学家们将能够研究质量从火星到太阳100倍的自由漂浮天体。质量范围低端包括从其宿主恒星抛出的行星,现在它们作为流氓行星在银河系漫游。接下来是褐矮星,它们太大了,无法被定性为行星,但也不足以点燃为恒星。褐矮星不像恒星那样发出明显的光芒,但广域红外巡天望远镜将能够通过它们形成时留下的热量,在红外线下对它们进行研究。

质量范围高端的物体包括大质量恒星耗尽燃料时留下的恒星核心:中子星和黑洞。研究它们并测量它们的质量将有助于科学家更多地了解恒星的演化过程,同时提供恒星质量黑洞的普查。广域红外巡天望远镜的微透镜观测,不仅将促进我们对行星系统的理解,它还将使一系列其他研究成为可能,包括2亿颗恒星的可变性,内银河系的结构和形成,以及黑洞和其他难以或不可能用其他方式研究的黑暗、致密天体的数量。

博科园|研究/来自:美国宇航局戈达德太空飞行中心

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