21.E：恒星的诞生和太阳系以外行星的发现（练习）

Last updated
Save as PDF

Page ID: 202302

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

为了进一步探索

文章

恒星形成

Blaes，O. “磁盘世界。” 《科学美国人》（2004年10月）：48。在年轻恒星和黑洞周围的吸积盘和喷气机上。

Croswell，K. “隔壁的防尘带 [Tau Ceti]。” 《科学美国人》（2015 年 1 月）：24。简要介绍最近对行星和宽尘带的观测结果。

弗兰克，A. “Starmaker：恒星诞生的新故事。” 天文学（1996 年 7 月）：52。

Jayawardhana，R. “监视恒星托儿所。” 天文学（1998 年 11 月）：62。在原行星盘上。

O'Dell，C.R. “探索猎户座星云。” 天空与望远镜（1994 年 12 月）：20。对哈勃成绩的评价不错。

Ray，T. “青春之泉：星星生命的早期。” 《科学美国人》（2000年8月）：42。论年轻明星的流出。

Young，E. “阴天，有机会获得星星。” 《科学美国人》（2010 年 2 月）：34。关于星际物质云如何变成恒星系统。

年轻，莫妮卡 “制造巨星”。 天空与望远镜（2015 年 10 月）：24。关于最大质量恒星如何形成的模型和观测。

系外行星

比林斯，L. “寻找外星木星。” 《科学美国人》（2015 年 8 月）：40—47。使用当前仪器对木星行星进行成像的竞赛，以及为什么未来还会有陆地行星的直接图像。

Heller，R. “比地球好。” 《科学美国人》（2015 年 1 月）：32—39。什么样的行星可以居住；还应考虑超级地球和木星行星卫星。

Laughlin，G. “世界如何失控。” 天空与望远镜（2013年5月）：26。关于行星如何从恒星系统中形成的地方迁移。

Marcy，G. “寻找遥远行星的新方法。” 天文学（2006 年 10 月）：30。精细的简要概述。（同一期还有一张引人注目的折叠式视觉地图集，描绘了那个时代的太阳系外行星。）

Redd，N. “为什么我们还没找到另一个地球？” 天文学（2016 年 2 月）：25。在可居住区域寻找有生命证据的地球行星。

Seager，S. “系外行星无处不在。” 天空与望远镜（2013年8月）：18。对有关行星性质和排列的一些常见问题进行了精彩的讨论。

Seager，S. “寻找超级地球。” 天空与望远镜（2010 年 10 月）：30。寻找质量高达地球10倍的行星以及它们能教给我们的东西。

维拉德，R. “寻找类地球行星。” 天文学（2011 年 4 月）：28。我们期望如何使用新的仪器和技术来寻找和描述超级地球（比我们的行星大一点的行星），这些仪器和技术可以向我们展示它们的大气层是由什么构成的。

网站

系外行星探索：http://planetquest.jpl.nasa.gov/。 PlanetQuest（来自喷气推进实验室的导航员计划）可能是最适合学生和初学者的网站，这里有入门材料和精美的插图；它主要关注美国宇航局的工作和任务。

系外行星：www.planetary.org/exoplanets/。行星协会的系外行星页面上有发现的行星的动态目录和很好的解释。

系外行星：寻找太阳系以外的行星：http://www.iop.org/publications/iop/...age_42551.html。 2010 年来自英国物理研究所。

太阳系外行星百科全书：http://exoplanet.eu/。由巴黎天文台的让·施耐德（Jean Schneider）维护，拥有最大的行星发现目录和有用的背景材料（其中一些更具技术性）。

恒星的形成：https://www.spacetelescope.org/scien...tion_of_stars/。来自哈勃太空望远镜的 “恒星形成” 页面，其中包含图像和信息的链接。

开普勒任务：kepler.nasa.gov/。这台卓越的太空望远镜的公共网站正在使用过境技术搜索行星，是我们寻找类地球行星的最大希望。

Proxima Centauri 星球探索号：http://www.eso.org/public/news/eso1629/。

应用程序

系外行星：itunes.apple.com/us/app/exopl... 327702034？ mt=8。允许您浏览到目前为止已发现的系外行星的定期更新的视觉目录。

系外行星之旅：itunes.apple.com/us/app/journ... 463532472？ mt=8。由《科学美国人》（Scientific American）的工作人员制作，听取了科学家和太空艺术家的意见；提供了较近的带有行星的恒星系统的背景信息和视觉导览。

视频

一颗星诞生了：www.discovery.com/tv-shows/ot... -星星诞生/。探索频道与天文学家米歇尔·塔勒合作的视频（2:25）。

我们孤独吗：与开普勒任务负责人的晚间对话：http://www.youtube.com/watch?v=O7ItAXfl0Lw。加州大学伯克利分校与比尔·博鲁基、娜塔莉·巴塔拉和吉博尔·巴斯里（由安德鲁·弗拉克诺伊主持）就开普勒的行星形成结果和想法进行了非技术小组讨论（2:07:01）。

寻找下一个地球：开普勒的最新结果：https://www.youtube.com/watch?v=ZbijeR_AALo。娜塔莉·巴塔哈（圣何塞州立大学和美国宇航局艾姆斯）在硅谷天文学系列讲座中公开演讲（1:28:38）。

从热木星到可居住的世界：vimeo.com/37696087（第 1 部分）和 vimeo.com/37700700（第 2 部分）。黛布拉·菲舍尔（耶鲁大学）在夏威夷举行的公开演讲，由凯克天文台赞助（15:20 第 1 部分，21:32 第 2 部分）。

搜索可居住的系外行星：http://www.youtube.com/watch?v=RLWb_T9yaDU。萨拉·西格（麻省理工学院）在SETI研究所公开演讲，开普勒成绩（1:10:35）。

奇异行星远景：http://www.youtube.com/watch?v=_8ww9eLRSCg。乔什·卡特（CfA）在哈佛大学天体物理学中心发表公开演讲，为非专业人士友好地介绍了系外行星（46:35）。

协作小组活动

你的小组是一个由科学家组成的小组委员会，正在研究任何 “炙手可热的木星”（比水星离太阳更近的巨型行星）是否可能在其上或附近有生命。你能想出这样的星球上、之内或附近可以生存或某些生命形式可以存活的地方吗？
一对富有的夫妇（他们是你的学院或大学的校友，爱孩子）在遗嘱中离开了数百万美元的天文学项目，以尽可能好的方式去寻找 “我们银河系中的婴儿恒星”。你的小组的任务是就如何最好地花钱向院长提供建议。你会推荐哪种工具和搜索程序，为什么？
有些人认为，在其他恒星周围发现任何行星（甚至是热木星）是天文研究史上最重要的事件之一。一些天文学家感到惊讶的是，公众对行星的发现并不感到兴奋。人们认为公众缺乏惊喜和兴奋的原因之一是，科幻小说早已使我们为其他恒星周围的行星做好了准备。（20 世纪 60 年代《星际迷航》电视连续剧中的《星际飞船企业号》几乎每周都会发现一些。）你的团队怎么想？在参加这门课程之前，你知道在其他恒星周围发现行星吗？你觉得这令人兴奋吗？听到这件事你感到惊讶吗？你认为科幻电影和书籍是天文学教育的好工具还是坏工具？
如果未来的太空仪器发现大气中含有大量氧气和甲烷的类地球系外行星会怎样？假设行星及其恒星相距 50 光年。你的小组建议天文学家接下来要做什么？你建议花多少精力和金钱来更多地了解这个星球，为什么？
与您的小组讨论以下问题：使用我们今天拥有的仪器绕恒星运行哪个更容易找到：木星行星还是原行星盘？列出这个问题的每一方的论点。
（此活动应在您的小组可以访问互联网时完成。）前往按主题对所有公开发布的哈勃太空望远镜图像进行索引的页面：http://hubblesite.org/newscenter/arc... /browse/image/。在 “Star” 下，前往 “Protoplanet Disk”，找到一个你的小组喜欢的系统（本章未提及），然后为全班准备一份简短的报告，说明你为什么觉得它很有趣。然后，在 “星云” 下，转到 “发射”，找到本章中未提及的恒星形成区域，然后为全班准备一份简短的报告，说明你对它感兴趣的地方。
有一个名为 Planet Hunters (http://www.planethunters.org/) 的 “公民科学” 网站，你可以参与根据开普勒提供的数据识别系外行星。您的小组应访问该站点，共同使用该站点，并对两条光线进行分类。向全班汇报你的所作所为。
俄裔美国亿万富翁尤里·米尔纳（Yuri Milner）最近承诺提供1亿美元开发这项技术，向半人马座阿尔法三星系统（包括离我们最近的恒星Proxima Centauri，现在已知至少有一颗行星）中的一颗恒星发射许多微型探测器。每个微型探测器都将由强力激光推进，其速度为光速的20％，希望一个或多个探测器能够安全到达并能够发回有关那里情况的信息。你的小组应该在线搜索关于这个项目（称为 “Breakthrough：Starshot”）的更多信息，并讨论你对这个项目的反应。给出你的论点的具体理由。

查看问题

给出几个理由，猎户座分子云是研究恒星形成阶段的有用的 “实验室”。
为什么在冷分子云中形成恒星的可能性比在星际介质温度为数十万度的区域更有可能发生？
自从发明对红外辐射敏感的探测器以来，为什么我们学到了很多关于恒星形成的知识？
描述恒星形成时会发生什么。从分子云中密集的物质核心开始，追踪直到新形成的恒星到达主序列时的演变。
描述低质量恒星生命中的 T Tauri 恒星阶段如何导致 Herbig-Haro（H-H）天体的形成。
请看第 21.1 节中的图\(21.1.7\)中所示的四个阶段。在哪个阶段我们可以看到可见光下的恒星？在红外辐射中？
在 H—R 图中，太阳质量为 1 的恒星的进化轨迹在一段时间内几乎保持垂直状态（参见第 21.2 节\(21.2.1\)中的图）。在这段时间里，它的亮度是如何变化的？它的温度？它的半径？
两颗原恒星，一颗是太阳质量的十倍，另一颗是太阳质量的一半，同时在分子云中诞生。哪一个会第一个进入主序列阶段，在那里它处于稳定状态并从聚变中获得能量？
将围绕正在形成的恒星的典型尘盘的比例（大小）与太阳系的比例进行比较。
为什么这么难看见其他恒星周围的行星却这么容易看见它们在我们自己的周围？
为什么天文学家直到 1995 年才发现第一颗绕太阳等另一颗恒星运行的系外行星？
多普勒测量最容易检测到哪些类型的行星？乘公交？
列出发现我们探测到的系外行星与太阳系中行星不同的三种方式。
列出已发现的系外行星和太阳系中行星之间的任何相似之处。
由于发现了系外行星，天文学家不得不对行星形成理论进行哪些修改？
为什么年轻的木星通过直接成像比老的木星更容易看见？

思想问题

你的一个朋友在她的天文学课上表现不佳，她告诉你，她相信所有的恒星都是古老的，今天没有一颗恒星不可能诞生。你会用什么论据说服她相信恒星是在你的一生中在银河系的某个地方诞生的？
观察表明，尘埃需要300多万年的时间才能开始清除原恒星周围圆盘的内部区域。假设这是形成行星所需的最短时间。你会指望在 10 颗恒星周围找到一颗行\(M_{\text{Sun}}\)星吗？（参见第 21.2 节\(21.2.1\)中的图。）
假设你想通过直接成像观察另一颗恒星周围的行星。你会尝试在可见光还是红外线下观察？为什么？这颗行星离恒星是 1 AU 还是 5 AU 更容易看清吗？
为什么靠近恒星的巨型行星是最早被发现的行星？为什么还没有使用同样的技术来发现土星远处的巨型行星？
偏心轨道上的系外行星在其轨道上会经历很大的温度波动。假设你必须计划前往这样一个星球的任务。根据开普勒第二定律，行星在离恒星更近还是更远的地方停留的时间吗？解释一下。

自己搞清楚

当天文学家发现第一批轨道只有几天的巨型行星时，他们不知道这些行星是像木星一样是气态和液态的，还是像水星一样的岩石。 HD 209458的观测解决了这个问题，因为对这颗行星过境恒星的观测使确定行星的半径成为可能。使用文本中给出的数据来估计这颗行星的密度，然后用这些信息来解释为什么它一定是天然气巨头。
系外行星系统有两个已知的行星。 X 行星在 290 天内运行，Y 行星在 145 天内运行。哪颗行星离它的主恒星最近？如果恒星的质量与太阳相同，那么 X 和 Y 行星轨道的半长轴是多少？
开普勒第三定律说，轨道周期（以年为单位）与距太阳的平均距离（以澳元为单位）的立方体的平方根成正比（\(P \propto a^{1.5}\)）。对于从 0.1 到 32 AU 的平均距离，计算并绘制一条显示预期开普勒周期的曲线。对于太阳系中的每颗行星，查看澳大利亚与太阳的平均距离和以年为单位的轨道周期，然后在理论上的开普勒曲线上叠加这些数据。
计算一颗为太阳半径0.3倍的M矮星和木星大小的天然气巨行星的过境深度。
如果开普勒航天器能够探测到0.00001的过境深度，那么在0.3\(R_{\text{sun}}\) 米矮星周围能探测到的最小的行星是什么？
有多少比例的天然气巨型行星似乎膨胀了半径？