更远的太阳系外行星

直到1988年,太阳系是唯一的行星气候,为学生和它提供的唯一的例子的行星形成理论可以测试。raybet雷竞技最新的革命性改进检测方法导致了首次确认检测环绕另一颗恒星公转的行星上的那一年,和仪表行星探测继续改善突飞猛进。写这篇文章的时候,超过228个行星围绕恒星在200秒差距(652.3光年)的地球被检测到,并发现新行星的速度加快。当然,很多令人兴奋的事情,周围的行星围绕的新生态的前景检测可居住的行星人生我们所知道的,或者已经知道它在过去几十亿年里地球的历史。完美除了可居住的问题,丰富多样的新行星发现的行星气候刺激思考的学生提供外箱的已知的太阳系行星的气候如何运作和发展。raybet雷竞技最新

发现行星在轨道上对各种不同类型的恒星,所以有必要学习一些明星的特点。在最基本的层面上,恒星分类根据其光度(即他们的净输出功率)和恒星表面的温度的星光逃到太空。亮度是由测量恒星的亮度从地球上看到的位置,然后纠正恒星和地球之间的距离。相对邻近恒星的距离可以测量直接通过观察恒星的小角位置的转变从地球轨道的两端,但对于明星远超过500秒差距(1630.8光年),更间接的推断是必需的。恒星的有效温度是通过测量星光的光谱——当恒星亮度的变化是如何通过不同的过滤器。热恒星的颜色光谱的蓝端,当冷却器星星倾向于红色。单位面积热恒星释放出更多的能量,但红色酷明星仍然可以有很高的亮度如果是非常大的,因为它有更多的表面积,发射。发射的能量维持星光来自较轻的元素的融合更重的元素。由于氢是宇宙中最常见的元素,可以参与热核聚变,绝大多数明星点燃氢融合成氦。这些恒星被称为主序恒星和恒星结构模型预测,有一个不同的光度和之间的关系排放温度以这种方式获取能量的恒星。恒星结构理论暗示在主序星的位置主要取决于它的质量,更热更明亮的大质量恒星。此外,恒星一生大部分时间在主序列,散点图的亮度与温度的恒星——Hertzsprung罗素图表显示大多数恒星聚集在主序曲线。的确,恒星的主要序列是由绘图目录发现用这种方法之前发现了恒星的能量来源。

沿着主序恒星不进化。相反,他们进入它在某个位置融合点燃时,保持同一点附近一定的时间而逐渐增亮,然后离开主序比较短来世的亮星更快速发展的光谱。当一颗恒星离开主序取决于恒星的质量。太阳将在十亿年左右红巨星,之前崩溃成一个逐渐衰落的白矮星。主序星被认为是最好的人选主机适合居住的行星,因为他们提供相对长期稳定的环境。一旦离开主序星,任何不幸的行星的恒星的气候可能会被彻底打乱了,如果确实行星继续存在;raybet雷竞技最新会有相对较少的时间对任何新形式的生命本身。尽管如此,行星系统确实存在主序列,和这些行星也有他们的兴趣点。第一个确认检测行星轨道主序星直到1995年才发生。

就像太阳的光度随着时间的增加,其他主序星的亮度增加主要在时间序列。然而,在主序星的生命周期与恒星的质量变化很大。恒星的质量决定了可用的核燃料数量维持在主序星的生命,而光度给这种燃料消耗的速度。恒星的一生主序与质量和亮度,扩展为太阳,值估计

T =广口盅^ - J - (1.2)

主序星有一个幂律质光关系我5 M3,所以在主序一生与光度依法尺度

明亮、炽热、蓝色的大质量恒星因此有更短的寿命比暗主序,酷的红矮星。太阳有一个主序的一生大约100亿年,并且是在主序几乎一半的时间。

图1.2展示了恒星的Hertzsprung-Russell图举办一个或多个已知的行星。天文学家指定恒星的颜色(等同于表面温度)根据光谱类字母O, B、A、F、G、K、M扩展从最热的到最冷,用数字加到显示在光谱类细分。我们的太阳是一个类G2主序星。图所示图代表一个很小的子集的数以百万计的恒星已经编目,和这些明星(到目前为止)光谱类温度比f .簇居沿着主序列,因为有更多的星星一般比其他地方沿着主序。还有一个选择偏见由于目前技术探测行星,工作比为别人更好的对于某些类型的恒星。因此,检测K之间的差距和M0恒星可能是工件的检测偏差而不是行星形成的一些基本特征的反映。

之间有一个丰富的行星环绕恒星光谱类G0和K,以及好几个行星明亮的红巨星主序。检测的集群M5暗淡的红矮星明星都是特别有趣的,尽可能多的这些结果代表了迄今为止最类似地球的行星——再次检测偏差,因为它更容易检测到低质量低质量恒星的行星与地球相似使用目前的技术。这些M-dwarf恒星非常昏暗,所以行星必须在其恒星很近的轨道为了地球一样温暖。在补偿,这些系统有很长的寿命比太阳和其他明亮的星星。根据情商。1.3,一个M5矮花长约100倍太阳在主序,所以这样的明星只照亮非常缓慢。这样的恒星行星提供了一个非常稳定的气候,大气的年代,需要更少的调整raybet雷竞技最新

4蓝色

4蓝色

7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000有效恒星温度

图1.2:散点图的光度与有效的恒星的表面温度至少有一个行星被发现在2007年。光度是作为太阳光度的倍数。冷星红而热恒星更蓝的颜色。顶部的信件表明恒星的标准光谱分类在这个温度范围内,大约到主序列的定位和虚线。太阳是一个类G2主序星。

条件比地球必须完成解决微弱年轻的太阳问题。相比之下,一个F0明星会花在十亿年在主序列,如果地球上生命的历史的话,生活在一个F0明星会熄灭在原核的阶段,它甚至可以开始之前认为的氧气。除了影响一生,恒星的光谱类影响恒星辐射的吸收程度无论气氛恒星的行星,这也提供了很多新奇的东西去思考,当考虑太阳系外行星的气候。raybet雷竞技最新

负责星星,但知道太阳系外行星本身是什么?这里也有一个检测偏差,因为它是更容易发现巨大的行星木星可比的比发现更多的类似地球的行星。大多数行星发现迄今为止非常巨大的行星,根据行星形成理论,可能是气态巨行星木星或土星一样,或冰巨人像海王星或土星。完整的各种行星气候提供的各种组合的行星质量,raybet雷竞技最新轨道特征和恒星特征很难传达通过观察几个图表。我们会给一个小样本的品种。在这本书中的练习的过程中,学生将有充分的机会去探索系外行星的大宇宙。

行星气候的关键因素之一是地球的速度接收能量的恒星。raybet雷竞技最新这是一个恒星的光度函数和行星从恒星的距离,它在某种程度上在地球年(第七章中讨论)。行星获得更多恒星能量通量比地球会热,其他条件相同,而行星接受少会冷。图1.3的左面板显示了目前发现的行星的质量和绘制恒星通量加热地球的行星接近其恒星。大众测量相对于木星的质量和通量测量相对于地球上的太阳能加热。一个地球质量是木星质量的0.00315倍。这张图,一个星球一个统一的相对通量会有类似地球的温度如果大气层就像地球一样。我们看到很多行星与木星质量十分之一或更高质量被发现;这些都是可能是气态巨行星或冰巨人,主要由氢和氦。虽然这些都是在某些方面像木星一样,他们的气候没有真正模拟太阳系中,因为他们中的大多数是在地球轨道收到至raybet雷竞技最新少尽可能多的恒星,地球从太阳吸收的能量。这些都是“热木星”,并代表气候非常不同于太阳系中。raybet雷竞技最新 Could Jupiters receiving Earthlike stellar radiation be habitable for life? That is certainly a Big Question, requiring understanding of the climate of such planets. Even more exotic are the giant planets receiving vastly more stellar flux than the Earth - up to one thousand times as much, in fact. These are "roasters" - very hot gaseous planets in close orbits about their host stars. Planetary formation theory gave no inkling that such things should exist, and indeed the existence of roasters poses real challenges for the theory.

另一种新的系外行星提供新颖的气候是在它们的轨道的性质。raybet雷竞技最新太阳系的行星,除了冥王星,相当圆轨道。然而,大多数系外行星已经被高度拉长轨道有相当大的区别最接近的距离恒星(近星点)和恒星的距离最远的删除(远隔点)。轨道延伸的范围显示在右面板的图1.3。自从恒星能量下降像恒星的距离的平方,与高度的轨道的行星将小说季节性周期不同于任何遇到的太阳系。他们会倾向于加热在很大程度上在近星点和降温,也许冻结在任何海洋,在远隔点。这样一颗行星可能适合居住吗?答案很大程度上取决于地球的大气和海洋的热响应时间,平均轨道的极端。有关物理第七章中讨论。

0.01

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000恒星通量在近星点(相对于地球)

到f

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000恒星通量在近星点(相对于地球)

图1.3:左面板:散点图的质量单位的太阳系外行星木星质量的通量与恒星能量冲击地球上最接近的时候(近星点)。右面板:散点图的最远的比率(远星点)最亲密的距离(近星点)行星从恒星的行星轨道与最近的恒星能量的方法。恒星的能量通量作为多个相应的通量的地球。

轨道周期,或“年”,系外行星也因人而异,如左侧面板图1.4所示。行星被发现广泛的轨道周期,从两天到6000天。在临近轨道运行的行星轨道周期较短的可能是潮汐锁定和永远存在的相同的明星脸,就像月亮总是呈现相同的面伏于地。超级地球即将讨论的大多是在这一类。Tide-locked行星为行星气候提供新颖的可能性。raybet雷竞技最新隐没可以很冷,如果这颗行星有海洋,它可能完全冻结。天会热,但是可能存在冰边缘附近的宜居区。此外,运输水分和热量的一天到晚提出了有趣的问题;答案很重要,因为这样运输的性质在很大程度上决定地球的气候。raybet雷竞技最新

低质量行星特别感兴趣,因为根据行星形成理论他们有最好的机会有一个岩石成分类似于地球,火星或金星。相对较少的行星与地球10倍的质量(0.03倍木星质量)被发现,但在这个领域已经有最新进展。目前发现的行星在这个范围内都比地球更大,因此被称为超级地球。左侧面板图1.3显示,少数超级地球已发现的恒星通量从.25地球(收益率地球太冷)行星地球的1000倍(收益率太热。最接近“刚刚好”是格利泽581 c,通量约地球的三倍。这样一颗行星会居住,或者变成一个金星吗?物理需要回答这些问题将在第4章发达。

右边的面板图1.4给出了关于行星被发现了恒星的质量有不同的温度。恒星温度感兴趣的气候,因为它决定了光谱-红色或蓝色的星光,进而影响星光由各种大气成分raybet雷竞技最新的吸收。热恒星也拿出更多的精力充沛的紫外线辐射,从而对大气化学产生深远的影响。我们看到,一些低质量超级地球类G或K恒星周围发现了,但考试相关的行星近轨道的数据表明,这些行星和接收数百倍的恒星,地球从太阳吸收的能量。他们

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000恒星通量在近星点(相对于地球)

蓝色的

0.01

蓝色的

7000 6500 6000 5500 5000 4500 4000 3500 3000恒星的有效温度

图1.4:左面板:散点图的轨道周期(天)和恒星能量的通量撞击地球上最接近的时候(近星点)。右面板:散点图的质量行星(木星质量的单位)和有效的恒星的辐射温度。

将毫无疑问是非常热的地方,不太可能能够维持一个大气或液态水。然而,一小群超级地球轨道非常酷的明星,温度低于3700 k。这些恒星主序“m矮星。”他们are very red, very small, and very dim, but by virtue of their dimness planets in close-orbits can still have a chance to be habitable. Moreover, dim stars like M-dwarfs have a long lifetime, and therefore provide a stable environment for their planets. Gliese 581 is such a system, but it appears that the two most Earthlike planets still miss being habitable - one likely to turn into a Venus if it has an ocean and the other likely to freeze into a Snowball. Part of the reason for interest in M-dwarfs comes purely from detection technology. It is comparatively easy to detect low-mass planets in close orbit around a low-mass star, and at the same time low-mass dim stars give a planet in a close orbit a chance to be habitable. As time goes on, it is likely that a habitable world around an M-dwarf will be discovered. As detection technology improves, the possibility for discovering Earthlike habitable planets will expand to other spectral classes of stars.

自然地,一个是在这一点上非常好奇这些行星的组成,他们是否有水,atm(如果有的话)是什么做的。一些信息可以从行星形成理论和理论推断大气演化,但是现在还没有能力来确定大气成分观测。这将改变在接下来的十年或二十年,随着星载仪器在线将能够确定从太阳系外行星的光谱发射和反射。预期的仪器将只返回单个谱平均在整个可见的地球表面,但很多还是能够推断出大气成分等数据。学习如何充分利用这一单像素行星天文学、地球会出现的暗淡蓝点(Carl Sagan的话)打开一系列的重大问题。同样的辐射传输用于计算行星气候熊对行星光谱的解释。raybet雷竞技最新

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