宇宙學 - 系外行星探測

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天體生物學是研究宇宙中生命起源、進化、分佈和未來的一門學科。它致力於發現和探測系外行星。

天體生物學探討以下幾點：

• 生命如何起源和進化？（生物學 + 地質學 + 化學 + 大氣科學）

• 地球以外是否存在有利於生命存在的星球？（天文學）

• 地球生命的未來將會如何？

天文學探討以下幾點：

• 如何探測其他恆星周圍的行星系統？

• 其中一種方法是直接成像，但這項任務非常困難，因為與恆星相比，行星的光源極其微弱，而且它們發出的微弱光線往往會淹沒在母恆星的光芒中。

• 當行星更靠近其母恆星且溫度較高時，對比度更好，因此它會發出強烈的紅外輻射。我們可以在紅外區域進行成像。

系外行星探測技術

系外行星探測最有效的技術如下。這些技術在後續章節中也將詳細解釋。

徑向速度法

它也稱為多普勒方法。在這個方法中：

• 恆星-行星系統圍繞它們的質心旋轉，恆星會擺動。

• 擺動可以透過以下方式檢測：

  • 週期性的紅/藍移。天體測量 - 高精度地測量天空中的物體。

凌日法

凌日法（開普勒太空望遠鏡）用於確定大小。與雙星系統不同，恆星亮度的下降通常非常小。

直接成像

使用望遠鏡對行星成像。

讓我們來看一個關於徑向速度法的案例研究。

案例研究

此案例研究是關於圓形軌道和平面軌道垂直於天空平面的情況。兩者圍繞質心的時間相同。它將等於兩次紅移或藍移之間的時間差。

考慮下圖。

在A和C點 - 測量全速度。在C點，速度為零。

• Vrmax = V_* 是恆星的真實速度。

• P是恆星和行星的週期。

• θ是軌道的相位。

• 恆星質量 - M_*，軌道半徑 a_*，行星質量 m_p。

根據質心方程：

$$m_p a_p = M_\ast a_\ast$$

根據速度方程：

$$V_\ast = \frac{2\pi a_\ast}{P}$$

$$\Rightarrow a_\ast = \frac{PV_\ast}{2\pi}$$

根據開普勒定律：

$$P^2 = \frac{4\pi^2a_p^3}{GM_\ast}$$

$$\Rightarrow a_p = \left ( \frac{P^2GM_\ast}{4\pi^2} \right)^{1/3}$$

根據上述方程，我們得到：

$$\Rightarrow m_p = \left( \frac{P}{2\pi G} \right)^{1/3}M_\ast^{2/3}V_\ast$$

我們得到：m_p, a_p 和 a_*。

上述方程偏向於探測靠近恆星的大質量行星。

要點

• 天體生物學是研究宇宙中生命起源、進化、分佈和未來的一門學科。

• 探測系外行星的技術包括：徑向速度法、凌日法、直接成像等。

• 擺動可以透過週期性的紅/藍移和天體測量來檢測。

• 徑向速度法偏向於探測靠近恆星的大質量行星。