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射电探测:系生手星搜寻利器

木星的射电辐射暗示图(图源:www.britannica.com)木星的射电辐射暗示图(图源:www.britannica.com) 

  来源:赛老师 

  射电波段是搜寻地外雅致(SETI)计划的主要探测手法,也是追求系生手星磁场的直接途径。当第一颗太阳系之外的走星在射电脉冲星周围被发现约30年后,射电天文最先在M型恒星周围探测到走星的存在。现在在运走和异日几年即将投入行使的高智慧度射电看远镜,如吾国贵州的天眼(FAST)和正在建设的平方公里阵列,都将协助人们探测到更众分歧于已发现类型的系生手星,并对走星磁场进走测量。

  与外星人“打call”

  “给外星人打电话”并非只在科幻幼说中存在。

  由于能够不会被地球大气汲取,从10MHz到300GHz的电磁波是人类探寻宇宙的主要射电窗口,也是进走星际通讯的湮没手法。1974年11月16日,康奈尔大学教授、SETI计划的创首人Frank Drake领衔的科学家团队,行使位于波众黎各的口径300米的Arecibo射电看远镜,向球状星团M13倾向,以1000千瓦的功率在2.38GHz的频率上发送了带有人类雅致的新闻。

  除了用Arecibo看远镜这个超大功率射电基站进走呼出,人们还试图从这个重大授与天线的数据中扣除“杂音”,追求地外雅致发来的新闻。从1999年5月最先至今,许众天文喜欢益者经历SETI@home屏幕珍惜程序参与到海量射电看远镜(授与)数据的分析中,试图追求来自地外雅致的信号。尽管至今未果,吾们向太空发出的新闻也未收到回音,但益奇心照样驱动着人们在与地外雅致竖立通讯的追求中赓续尝试。现在最大的单天线射电看远镜,口径500米的天眼(FAST)也有看添入到地外雅致信号的搜寻中[1]。

  你能够会觉得,与外星雅致通讯的难度无异于大海捞针,但行使天文不都雅测的射电窗口,人类已经发现了外星雅致的湮没家园——太阳系生手星,并最先了对系生手星磁场的追求。

  第一颗系生手星的发现

  脉冲星是人们熟识的宇宙灯塔,在射电波段吾们能够探测到它因自转产生的极其规律的周期信号。而当脉冲星周围存在伴星或走星时,脉冲星会围绕体系质心活动,射电脉冲信号就会受到响答的调制。

  1991年,美国宾州州立大学的Alex Wolszczan 和美国国家射电天文台的Dale Frail行使Arecibo射电看远镜和美国的甚大阵射电看远镜(VLA),对PSR1257 12进走不都雅测,发现这颗脉冲星周围存在起码三个走星质量的天体[2](见图1)。这是人类第一次探测到太阳系生手星的存在。然而,系生手星的钻研炎潮却并未准期到来。 

图1:PSR1257 12和它的三个走星(艺术图)

(图源: NASA/JPL-Caltech/R。 Hurt。)

  脉冲星是恒星演化到晚期形成的致密中子星,其周围存在的走星,经历了超新星爆炸的核燃烧洗礼,今天还时刻承受着脉冲星带来的重大高能粒子和电磁辐射。在这栽大粒尘埃上,不太能够存在生命。所以从发现外星生命的意义上讲,这类走星并异国成为人类追求系生手星的炎门倾向。

  来自系生手星磁场的射电信号

  真实激首人们重大益奇心的,是在1995年日内瓦大学的Michael Mayor和Didier Queloz行使测量恒星视向速度转折的形式,在类太阳恒星飞马座51周围发现了走星的存在。从当时最先,人们行使各栽形式,一连发现了四千余颗系生手星[3]。这些走星是否有正当生物居住的环境,成为了接下来人们关注的重点。

  现有的不都雅测手法能够协助吾们晓畅走星距宿主恒星的距离,以及宿主恒星的温度,进而清新走星上是否有正当的温度。在光学和红外波段对特定走星的大气进走不都雅测,还能够协助吾们晓畅走星大气层的厚度和成分。

图2:地球磁场(图源: NOAA)图2:地球磁场(图源: NOAA)

  除了正当的温度和大气层,走星自己的磁场也是珍惜生物圈的主要屏障(见图2)。倘若地球失踪了磁场的珍惜,太阳风和宇宙线中的高能粒子将会直接射向地球,使得人类所承受的辐射基础提高到宇航员在太空走走中不穿宇航服的程度。更主要的是,凶猛的太阳风会对吾们赖以生存的大气层造成重大损坏。

  那么,系生手星是否存在磁场,强度又如何呢?

  照样要回到电磁波这个序言。吾们所探知的系生手星的温度清淡在100-2500开尔文之间,其炎辐射功率的峰值在红外波段。然而,即便对于温度更高的恒星,吾们也探测到了波长长得众的射电辐射(注:具有肯定温度的物体,其内部带电粒子的炎活动所发出的电磁波为炎辐射。按照维恩位移定律,炎辐射能谱中辐射最强处的频率与物体温度成正比;温度100-2500开尔文的物体,辐射峰值波长在2-50微米,属红外波段。回旋辐射、同步辐射等机制造成的电磁辐射为非炎辐射,能谱与炎辐射分歧。吾们看到的恒星和走星在射电波段的电磁辐射,主要是非炎辐射)。这些射电波段的非炎辐射,主要来自于带电粒子在磁场中添速活动产生的回旋和同步辐射。所以射电天文的不都雅测,能够协助吾们直接得到星体的磁场新闻,这在太阳系走家星的不都雅测中已经是成熟的手法。

  然而题目来了:走星的宿主恒星往往有更强的磁场,更高的带电粒子数密度,射电波段的辐射也就比走星更强。在看远镜分辨率不能以区睁开系生手星和其宿主恒星的情况下,怎么清新射电信号来源于宿主恒星照样系生手星的磁场呢?先来看看吾们看到了什么。

  2011年,VLA在4.5GHz和7.5GHz波段探测到了一颗恒星V830 Tau的射电爆发。这本不是什么惊人发现,由于人们已经在几十到上百颗磁场活跃的恒星或双星上发现了射电爆发表象。然而在2015年,在这颗恒星的周围发现了走星的存在。所以,人们最先考虑,之前探测到的射电爆发,是否跟走星相关[4]?

图3:系生手星射电同步辐射爆发暗示图及光变弯线简图[5]。上图表现恒星外观磁场(红色圆圈为恒星,短划线是磁场)发生磁重联后,高能带电粒子经历磁力线输运到走星磁场(绿色圆圈为走星,短划线是磁场)。由于粒子从恒星输运到走星必要时间,在下图爆发光变弯线中表现为流强增补和衰减时的二级阶梯。下图横坐标是爆发时间,纵坐标是射电流强,红色阶段来源于恒星辐射,橙色阶段来源于恒星 走星,绿色阶段来源于走星辐射,单纯恒星/走星辐射赓续时间约为恒星与走星距离除以光速。相对流强与恒星/走星的磁场比值相关。 图3:系生手星射电同步辐射爆发暗示图及光变弯线简图[5]。上图表现恒星外观磁场(红色圆圈为恒星,短划线是磁场)发生磁重联后,高能带电粒子经历磁力线输运到走星磁场(绿色圆圈为走星,短划线是磁场)。由于粒子从恒星输运到走星必要时间,新闻中心在下图爆发光变弯线中表现为流强增补和衰减时的二级阶梯。下图横坐标是爆发时间,纵坐标是射电流强,红色阶段来源于恒星辐射,橙色阶段来源于恒星 走星,绿色阶段来源于走星辐射,单纯恒星/走星辐射赓续时间约为恒星与走星距离除以光速。相对流强与恒星/走星的磁场比值相关。

  回答这个题目必要晓畅射电辐射的详细来源。当走星距离宿主恒星很近时,经历磁力线与恒星磁场联通,产生回旋或同步辐射的带电粒子能够沿着磁力线在恒星和走星间输运。射电同步辐射所需的高能带电粒子往往来源于恒星磁层内的磁重联,这些带电粒子以挨近光速的速度传播到近邻走星上所必要的时间大约是几十秒。所以,吾们憧憬所看到的射电辐射爆发,在最最先的流强提高之后几十秒,有第二个流强提高展现(即图3下红线停留一段时间之后变成橙线赓续提高);在爆发终结阶段也响答有两个流强阶梯的表象(图3下橙线变成绿线之后停留一段时间之后的降矮)。

  另外,由于走星和恒星的磁场强度分歧,陪同着上述流强阶梯,同步辐射的频率也会有转折[5]。然而,行使现在的射电看远镜,起码必要几百秒的积分时间才能使探测智慧度有余高从而发现已知系生手星体系的射电爆发。也就是说,流强阶梯和频率漂移这两个走星存在的特征在现在的不都雅测中无法识别。

  智慧度不足,怎么“凑”?

  让吾们一时屏舍100秒之内的短时标光变弯线和频率漂移。宿主恒星的自转和系生手星的公转会使射电爆发产生幼时到天量级的长时标转折,这个时间尺度上的时域分析是现在实际可用的系生手星探测手法。清淡来说,恒星磁场并非理想的偶极磁场,而是在某些经度上相对活跃。所以,当磁场联通的走星公转到这个经度上,且产生的射电辐射在地球上有最佳不都雅测角度时,吾们就会看到系生手星体系的射电爆发在强度和发生频率上同时提高。也就是说,射电爆发受到系生手星公转与宿主恒星自转的拍(beat),以及宿主恒星公转的共同调制。

图4:系生手星与宿主恒星相互作用暗示图,以HD 189733为例。当系生手星和活跃磁场线的夹角φbeat为零时,射电爆发最剧烈。若同时已足活跃磁场线相位φact处于特定值,则这些射电爆发能够被地球上的不都雅测者看到[6]。 图4:系生手星与宿主恒星相互作用暗示图,以HD 189733为例。当系生手星和活跃磁场线的夹角φbeat为零时,射电爆发最剧烈。若同时已足活跃磁场线相位φact处于特定值,则这些射电爆发能够被地球上的不都雅测者看到[6]。

  在以前二十几年对木星的不都雅测中,已经有足够的数据表清新这个表象[7]:在木星的某些经度朝向地球时,射电辐射会变得更强;在这些辐射较强的不都雅测者经度(CML,central meridian longitude)上,当位于木星磁层内的两颗卫星Io和Ganymede处于特定轨道相位时,会产生额外的射电辐射爆发,这是由于木星和这两颗卫星的电磁场相互作用导致的(图5)。参照木星的规律,现阶段吾们判定射电爆发信号与系生手星是否相关的主要途径是:追求射电爆发与宿主恒星自转和走星公转周期的相关性。

图5:木星(Jupiter)不都雅测者经度(CML),活跃磁场线经度Λa和卫星经度Λsat暗示图,绿色直线为木星中央子午线。Φa、Φsat别离为活跃磁场线相位和卫星相位,δa为卫星与活跃磁场线的夹角[8]。 图5:木星(Jupiter)不都雅测者经度(CML),活跃磁场线经度Λa和卫星经度Λsat暗示图,绿色直线为木星中央子午线。Φa、Φsat别离为活跃磁场线相位和卫星相位,δa为卫星与活跃磁场线的夹角[8]。 图6,木星射电辐射与不都雅测者经度和近木卫星Io/Ganymede公转相位的相关[8]。横轴为不都雅测者木星经度,纵轴别离是两颗卫星的相位,颜色代外射电爆发发生率。左图的A-D标注的是由于Io-木星相互作用产生的添强辐射区域;右图的A-D标注的是扣除了Io-木星成分后的添强辐射区域,与Ganymede-木星相互作用相关。 图6,木星射电辐射与不都雅测者经度和近木卫星Io/Ganymede公转相位的相关[8]。横轴为不都雅测者木星经度,纵轴别离是两颗卫星的相位,颜色代外射电爆发发生率。左图的A-D标注的是由于Io-木星相互作用产生的添强辐射区域;右图的A-D标注的是扣除了Io-木星成分后的添强辐射区域,与Ganymede-木星相互作用相关。

  系生手星搜寻利器

  不难想到,这栽射电辐射与走星轨道周期的相关性,除了能够判定射电信号是否来源于已知系生手星与宿主恒星的相互作用,还能够用来搜寻未知的系生手星。科学家已经在这条道路上走出了第一步。

  欧洲的矮频阵列射电看远镜(LOFAR)在120-167MHz的频段发现了来自一颗色球层很安详的M型恒星GJ1151的射电辐射。分析外明,分歧于磁场活跃恒星的射电爆发,GJ1151的射电信号不太能够来源于恒星自己,而很能够来源于其周围走星与之相互作用产生的带电粒子的回旋辐射,所以科学家测度在这个恒星周围存在着短周期走星[9]。这颗走星的存在尚必要更长时间的射电周期分析,或其他形式的进一步确认。即便这样,射电天文形式在发现第一颗系生手星近30年之后,终于最先展现起程现主序恒星周围走星的能力。而且射电形式发现的系生手星,将突破现在所发现的走星大片面是具有凌星表象(即与宿主恒星处在一条视线上而发生相互隐瞒的表象)的选择局限。

  具有较高智慧度的看远镜能够在较短的积分时间内发现弱射电爆发,这是发现系生手星射电辐射的中央指标。纵不都雅现在正在做事的射电看远镜,FAST的智慧度在1.4GHz频段上处于国际领先程度。这个频段上的恒星流强清淡情况下主要来源于恒星和走星的同步辐射。所以FAST是测量甚至发现系生手星射电辐射的利器。同时吾们认识到,在追求系生手星这类缺点源时,必要扩展FAST的有效直径从而清除看远镜主波束内其他背景辐射的影响。倘若在FAST周围竖立扩展阵,使其有效直径扩大10倍甚至更众,能够大大挑高搜寻系生手星的效果。

  在FAST上经历规律的恒星射电爆发监测和时域分析来搜寻系生手星,并追求系生手星磁场,憧憬将产生主要发现,并为异日建成的智慧度更高的射电看远镜——平方公里阵列(SKA)的走星探测计划挑供主要的经验。SKA是中国深入参与的下一代国际配相符射电看远镜项现在,其重大的智慧度将能够协助吾们探测到系生手星造成的射电爆发光变弯线与频率漂移(图3),直接确认走星存在,并测得走星轨道和磁场参数。吾们憧憬在异日的几年到几十年,在射电波段发现更众的分歧于现在已有类型的系生手星,为系生手星的钻研拓展更雄厚的样本,同时增补吾们对系生手星磁场的晓畅。

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