Välkommen tillbaka till vår serie om Exoplanet-jaktmetoder! Idag tittar vi på en annan allmänt använd och populär metod för exoplanetdetektering, känd som Radial Velocity (alias Doppler Spectroscopy) Method.
Jakten på extrasolära planeter har säkert värmts upp under det senaste decenniet eller så! Tack vare förbättringar av instrumentering och metodik har antalet upptäckta exoplaneter (per 1 december 2017 ) har nått 3 710 planeter i 2 780 stjärnsystem, med 621 system med flera planeter. Tyvärr, på grund av de gränser som astronomer tvingas brottas med, har de allra flesta upptäckts med indirekta metoder.
När det gäller dessa indirekta metoder är en av de mest populära och effektiva metoden Radial Velocity Method – även känd som dopplerspektroskopi. Denna metod bygger på att observera spektratstjärnorna för tecken på 'wobble', där stjärnan visar sig röra sig mot och bort från jorden. Denna rörelse orsakas av närvaron av planeter, som utövar ett gravitationsinflytande på sin respektive sol.
Beskrivning:
I huvudsak består Radial Velocity Method inte av att leta efter tecken på planeterna själva, utan i att observera en stjärna efter tecken på rörelse. Detta härleds genom att använda en spektometer för att mäta hur stjärnans spektrallinjer förskjuts på grund av Dopplereffekt – det vill säga hur ljuset från stjärnan förskjuts mot den röda eller blåa änden av spektrumet (rödförskjutning/blåförskjutning).
Diagram som visar metoden Radial Velocity (alias Doppler Shift). Kredit: Las Cumbres Observatory
Dessa skiftningar är indikationer på att stjärnan rör sig bort från (rödförskjutning) eller mot (blåförskjutning) jorden. Baserat på stjärnans hastighet kan astronomer bestämma närvaron av en planet eller ett system av planeter. Hastigheten med vilken en stjärna rör sig runt sin masscentrum, som är mycket mindre än en planets, är ändå mätbar med dagens spektrometrar.
Fram till 2012 var denna metod det mest effektiva sättet att upptäcka exoplaneter, men har sedan dess ersatts av Transitfotometri . Ändå förblir det en mycket effektiv metod och används ofta i samband med transitmetoden för att bekräfta förekomsten av exoplaneter och sätta begränsningar för deras storlek och massa.
Fördelar:
Radial Velocity-metoden var det första framgångsrika sättet att detektera exoplaneter och har haft en hög framgångsfrekvens för att identifiera exoplaneter i både närliggande ( Nästa b och TRAPPIST-1 s sju planeter) och avlägsna stjärnsystem ( COROT-7c ). En av de största fördelarna är att det gör det möjligt att mäta excentriciteten i planetens omloppsbana direkt.
Den radiella hastighetssignalen är avståndsoberoende, men kräver ett högt signal-brus-förhållande för att uppnå en hög grad av precision. Som sådan används den vanligtvis för att leta efter planeter med låg massa runt stjärnor som är inom 160 ljusår från jorden, men som fortfarande kan upptäcka gasjättar upp till några tusen ljusår bort.
https://exoplanets.nasa.gov/5_ways_content/vid/radial_velocity.mp4Den radiella hastighetstekniken kan upptäcka planeter runt stjärnor med låg massa, såsom stjärnor av M-typ (röda dvärg). Detta beror på det faktum att stjärnor med låg massa påverkas mer av planeternas gravitationsdrag och på att sådana stjärnor i allmänhet roterar långsammare (vilket leder till tydligare spektrallinjer). Detta gör Radial Velocity Method mycket användbar av två skäl.
För det första är stjärnor av M-typ de vanligaste i universum och står för 70 % av stjärnorna i spiralgalaxer och 90 % av stjärnorna i elliptiska galaxer. För det andra har nyare studier visat att stjärnor av M-typ med låg massa är den mest sannolika platsen för att hitta jordiska (dvs steniga) planeter. Radial Velocity Method är därför väl lämpad för studier av jordliknande planeter som kretsar nära röda dvärgsolar (inom sina respektive beboeliga zoner).
En annan stor fördel är hur Radial Velocity-metoden kan placera exakta begränsningar på en planets massa. Även om en stjärnas radiella hastighet bara kan ge uppskattningar av en planets minimimassa, kan en särskiljning av planetens egna spektrallinjer från stjärnans linjer ge mätningar av planetens radiella hastighet.
Detta gör det möjligt för astronomer att bestämma lutningen av planetens omloppsbana, vilket möjliggör mätning av planetens faktiska massa. Denna teknik utesluter också falska positiva resultat och ger data om planetens sammansättning. Huvudfrågan är att sådan upptäckt endast är möjlig om planeten kretsar runt en relativt ljus stjärna och om planeten reflekterar eller avger mycket ljus.
Antal extrasolära planetfyndigheter per år till och med september 2014, med färger som indikerar detekteringsmetod – radiell hastighet (blå), transit (grön), timing (gul), direkt avbildning (röd), mikrolinsning (orange). Kredit: Public domain
Från och med december 2017, 662 av alla upptäckter av exoplaneter (både kandidater och de som har bekräftats) upptäcktes med enbart den radiella hastighetsmetoden – nästan 30 % av totalen.
Nackdelar:
Med det sagt har Radial Velocity Method också några anmärkningsvärda nackdelar. Till att börja med är det inte möjligt att observera hundratals eller ens tusentals stjärnor samtidigt med ett enda teleskop – som man gör med Transit Photometry. Dessutom kan ibland dopplerspektrografi producera falska signaler, särskilt i system med flera planeter och flerstjärnor.
Detta beror ofta på närvaron av magnetfält och vissa typer av stjärnaktivitet, men kan också uppstå på grund av brist på tillräckliga data eftersom stjärnor i allmänhet inte observeras kontinuerligt. Dessa begränsningar kan dock mildras genom att para ihop mätningar av radiella hastigheter med en annan metod, varav den mest populära och effektiva är transitfotometri.
Även om att skilja mellan spektrallinjerna för en stjärna och en planet kan tillåta bättre begränsningar för en planets massa, är detta i allmänhet endast möjligt om planeten kretsar runt en relativt ljus stjärna och planeten reflekterar eller avger mycket ljus. Dessutom producerar planeter som har mycket lutande banor (i förhållande till observatörens siktlinje) mindre synliga vinglar och är därför svårare att upptäcka.
I slutändan är Radial Velocity Method mest effektiv när den paras ihop med Transit Photometry, speciellt för att bekräfta detektioner gjorda med den senare metoden. När båda metoderna används i kombination kan existensen av en planet inte bara bekräftas, utan noggranna uppskattningar av dess radie och verkliga massa kan göras.
Exempel på mätningar av radiell hastighet:
Observatorier som använder metoden Radial Velocity inkluderar European Southern Observatory (ESO) Observatoriets ordförande i Chile. Denna anläggning genomför exoplanetjaktundersökningar med hjälp av sitt 3,6 meter långa teleskop, som är utrustat med Hög precision Radial Velocity Planet Searcher (HARPS) spektrometer. Det finns också teleskopen vid Keck Observatory i Mauna Kei, Hawaii, som är beroende av Högupplöst Echelle-spektrometer (HIRES) spektrometer.
Det finns också Haute-Provence observatorium i södra Frankrike, som använde den ELODIE spektrograf att upptäcka 51 Pegasi f – den första 'Hot Jupiter' som upptäcktes kretsa runt en huvudsekvensstjärna – 1995. 2006 avvecklades ELODIE och ersattes av SOPHIE spektrograf .
Exoplanetjaktundersökningar som förlitar sig på Radial Velocity Method förväntas ha stor nytta av utplaceringen av James Webb rymdteleskop (JWST), som är planerad till 2019. När det är i drift kommer detta uppdrag att få Doppler-mätningar av stjärnor med hjälp av dess avancerade svit av infraröda instrument för att fastställa förekomsten av exoplanetkandidater. Några av dessa kommer sedan att bekräftas med hjälp av Transiterande Exoplanet Survey Satellite (TESS) – som kommer att distribueras under 2018.
Tack vare förbättringar av teknik och metodik har upptäckten av exoplaneter vuxit med stormsteg de senaste åren. Med tusentals exoplaneter bekräftade har fokus gradvis flyttats mot att karakterisera dessa planeter för att lära sig mer om deras atmosfärer och förhållanden på deras yta. Under de kommande decennierna, delvis tack vare utplaceringen av nya uppdrag, förväntas några mycket djupgående upptäckter göras!
Vi har många intressanta artiklar om exoplanetjakt här på Universe Today. Här är Vad är extra solplaneter? , Vad är transitmetoden? , Vad är den direkta avbildningsmetoden? , Vad är gravitationsmetoden för mikrolinsning? , och Keplers universum: Fler planeter i vår galax än stjärnor .
Astronomy Cast har också några intressanta avsnitt om ämnet. Här är Avsnitt 366: HARPS Spectrograph .
För mer information, se till att kolla in NASAs sida på Exoplanet Exploration , Planetary Societys sida på Extrasolära planeter , och NASA/Caltech Exoplanet Arkiv .
Källor: