双子望远镜行星成像仪发现的第一颗行星——51 Eri b

斯坦福大学的天文学家团队利用新型的系外行星成像设备——双子望远镜行星成像仪（GPI）用直接成像方法发现了他们的第一颗系外行星——51 Eri b。它的主星 51 Eri （波江座 51）是一颗十分年轻的恒星，年龄只有 20 Myr（两千万年），距离太阳为 29.4 pc。因此 51 Eri b 是也一颗非常年轻的行星。这颗行星距离它的主星大约 13 个天文单位，质量大约为木星的 2~12 倍，温度为 600~750K。近红外光谱表明这颗行星的大气中有明显的甲烷和水蒸汽吸收特征，这在直接成像法发现的系外行星中是很少见的。

51 Eri b 图像

上图：GPI 在近红外波段拍摄的 51 Eri 图像，中心十字代表恒星所在的位置。虚线代表土星轨道的大小。b表示新发现的行星

双子望远镜行星成像仪（GPI，Gemini Planet Imager）是安装在智利 8 米口径南双子望远镜上的直接成像设备，使用自适应光学和星冕仪在近红外波段直接拍摄系外行星的光谱和图像。51 Eri b 的发现有助于理解行星形成的过程。关于行星形成大致有两种理论：盘不稳定机制和核吸积机制。盘不稳定机制又称为“热启动”（hot-start），能够形成高温、大质量、明亮的行星。但核吸积机制认为，行星首先形成一个致密的固体核心，而后通过不断吸积气体而慢慢长大，因此又称为“冷启动”（cold-start）。通常认为太阳系巨行星（例如木星）就是通过“冷启动”机制形成的。目前，用直接成像法找到的年轻行星大多不是通过“冷启动”形成的，也很难用盘不稳定性解释。

51 Eri b 想象图

上图：51 Eri b 想象图

像 GPI  这样的新一代高对比度行星成像设备能够观测离主星更近、质量和温度更低的行星，有助于理解行星的形成过程。2014年天文学家启动了双子座望远镜系外行星搜寻项目，目标是用 GPI 观测离太阳较近的 600 颗年轻的恒星，51 Eri 是其中的第 44 颗恒星，视星等为 5.2，它的中国古代名字为“九州殊口增十”。这颗恒星在中红外和远红外波段有额外的辐射，表明存在内外两个尘埃带，其中内盘到主星的距离是 5.5 AU，外盘到主星的距离是 82AU。此外，在距离恒星  2000 AU 的地方还有一对由两颗 M 矮星组成的双星 GJ 3305，三颗星共同组成了一个分层三星系统。此次在 51 Eri 周围发现的行星只围绕 51 Eri 公转，距离主星的距离只有 13.2 AU。进一步的测量表明，除非 GJ 3305 与 51 Eri 的绕转轨道是一个非常偏的椭圆，否则在行星形成之后这么短的时间，Kozai 机制还不会对行星的偏心率和轨道倾角造成什么影响。

51 Eri b Spectrum

上图：51 Eri b 的近红外光谱（蓝色数据点），显示明显的甲烷和水分子吸收。绿色和紫色表示用两种不同的模型拟合的光谱。

51 Eri b 的光谱中还观测到了明显的甲烷和水分子吸收的特征。虽然甲烷在太阳系巨行星的大气中是很常见的，但是在直接成像法找到的行星中却很少观测到甲烷。这说明 51 Eri b 可能是一颗类似木星的行星。值得注意的是，51 Eri b 同时还是目前为止直接观测到的质量最小的行星。

更大更精密的太空望远镜终有一天会让我们发现真正的移居行星！

这个项目中，斯坦福大学只是其中一个机构，项目总共有将近40实大学和科研机构参予：
1. Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA.
2. Lawrence Livermore National Laboratory, 7000 East Avenue, Livermore, CA 94040, USA.
3. Department of Astronomy, University of California–Berkeley, Berkeley, CA, 94720, USA.
4. Lunar and Planetary Laboratory, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA.
5. Center for Astrophysics and Space Sciences, University of California–San Diego, 9500 Gilman Drive, La Jolla, CA 92093, USA.  
6. NASA Ames Research Center, MS 245-3, Moffett Field, CA 94035, USA.
7. National Research Council of Canada, Herzberg Institute of Astrophysics, 5071 West Saanich Road, Victoria, BC V9E 2E7, Canada.
8. University of Victoria, 3800 Finnerty Road, Victoria, BC V8P 5C2, Canada.
9. Search for Extraterrestrial Intelligence Institute, Carl Sagan Center, 189 Bernardo Avenue, Mountain View, CA 94043, USA.
10. Space Telescope Science Institute, 3700 San Martin Drive, Baltimore, MD 21218, USA.
11. School of Earth and Space Exploration, Arizona State University, PO Box 871404, Tempe, AZ 85287, USA.
12. Institut de Recherche sur les Exoplanètes, Départment de Physique, Université de Montréal, Montréal, QC H3C 3J7, Canada.
13. Los Alamos National Laboratory, P.O. Box 1663, MS F663, Los Alamos, NM 87545, USA.
14. Department of Physics and Astronomy, University of California–Los Angeles, 430 Portola Plaza, Los Angeles, CA 90095, USA.
15. Department of Physics and Astronomy, The University of Western Ontario, London, ON N6A 3K7, Canada.
16. Subaru Telescope, 650 North A'ohoku Place, Hilo, HI 96720, USA.
17. Science and Technology Research Institute, University of Hertfordshire, Hatfield AL10 9AB, UK.
18. Department of Astrophysical Sciences, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA.
19. Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, 50 St. George Street, Toronto, ON M5S 3H4, Canada.
20. Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble, Université Grenoble Alpes, Centre National de la Recherche Scientifique, 38000 Grenoble, France.
21. Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA.
22. Department of Astronomy and Astrophysics, University of California–Santa Cruz, Santa Cruz, CA 95064, USA.
23. Durham University, Stockton Road, Durham DH1, UK.
24. Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University, 3600 North Charles Street, Baltimore MD, 21218, USA.
25. Gemini Observatory, Casilla 603, La Serena, Chile.
26. University of Exeter, Astrophysics Group, Physics Building, Stocker Road, Exeter EX4 4QL, UK.
27. Department of Physics and Astronomy, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
28. Department of Physics and Astronomy, Stony Brook University, 100 Nicolls Road, Stony Brook, NY 11794-3800, USA.
29. Department of Astronomy and Astrophysics, University of Toronto, Toronto, ON M5S 3H4, Canada.
30. Steward Observatory, 933 North Cherry Avenue, University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA.
31. Department of Physics, University of California–Santa Barbara, Broida Hall, Santa Barbara, CA 93106-9530, USA.
32. American Museum of Natural History, New York, NY 10024, USA.
33. Department of Engineering Science and Physics, College of Staten Island, City University of New York, Staten Island, NY 10314, USA.
34. Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Camino El Observatorio 1515, Casilla 36-D, Las Condes, Santiago, Chile.
35. Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, Universities Space Research Association, NASA/Armstrong Flight Research Center, 2825 East Avenue P, Palmdale, CA 93550, USA.
36. Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA.
37. Physics and Astronomy, University of Toledo, 2801 West Bancroft Street, Toledo, OH 43606, USA.
38. Large Synoptic Survey Telescope, 950 North Cherry Avenue, Tucson, AZ 85719, USA.
39. Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, 4800 Oak Grove Drive, Pasadena, CA 91109, USA.

参阅论文原件：
http://hubblesite.org/pubinfo/pdf/2015/30/pdf.pdf

B. Macintosh,1,2* J. R. Graham,3 T. Barman,4 R. J. De Rosa,3 Q. Konopacky,5 M. S. Marley,6 C.
Marois,7,8 E. L. Nielsen,9,1 L. Pueyo,10 A. Rajan,11 J. Rameau,12 D. Saumon,13 J. J. Wang,3 M.
Ammons,2 P. Arriaga,14 E. Artigau,12 S. Beckwith,3 J. Brewster,9 S. Bruzzone,15 J. Bulger,11,16 B.
Burningham,6,17 A. S. Burrows,18 C. Chen,10 E. Chiang,3 J. K. Chilcote,19 R. I. Dawson,3 R.
Dong,3 R. Doyon,12 Z. H. Draper,8,7 G. Duchêne,3,20 T. M. Esposito,14 D. Fabrycky,21 M. P.
Fitzgerald,14 K. B. Follette,1 J. J. Fortney,22 B. Gerard,8,7 S. Goodsell,22,23 A. Z. Greenbaum,24,10
P. Hibon,25 S. Hinkley,26 T. H. Cotton,27 L.-W. Hung,14 P. Ingraham,1 M. Johnson-Groh,8,7 P.
Kalas,3,9 D. Lafreniere,12 J. E. Larkin,14 J. Lee,27 M. Line,22 D. Long,10 J. Maire,19 F. Marchis,9
B. C. Matthews,7,8 C. E. Max,21 S. Metchev,15,28 M. A. Millar-Blanchaer,29 T. Mittal,3 C. V.
Morley,22 K. M. Morzinskim,30 R. Murray-Clay,31 R. Oppenheimer,32 D. W. Palmer,2 R.
Patel,28 J. Patience,11 M. D. Perrin,10 L. A. Poyneer,2 R. R. Rafikov,18 F. T. Rantakyrö,25 E.
Rice,33,32 P. Rojo,34 A.R. Rudy,21 J.-B. Ruffio,1,9 M. T. Ruiz,
34 N. Sadakuni,35,25 L. Saddlemyer,7
M. Salama,3 D. Savransky,36 A. C. Schneider,37 A. Sivaramakrishnan,10 I. Song,27 R.
Soummer,10 S. Thomas,38 G. Vasisht,39 J. K. Wallace,39 K. Ward-Duong,11 S. J. Wiktorowicz,22
S. G. Wolff,24,10 B. Zuckerman14

主星资料：
Table 1. Properties of 51 Eridani A and 51 Eridani b.
51 Eridani
Spectral Type F0IV
Mass (Mۏ) 1.75 ± 0.05
Luminosity (Lཤ) 7.1 ± 1
Distance (pc) 29.4 ± 0.3
Proper Motion (mas/yr east,
mas/yr north)
[44.22 ± 0.34, -64.39 ± 0.27] (44)
Age (Myr) 20 ± 6
Metallicity (M/H) -0.027 (45)
J, H, Ks, Lp (mag.) 4.68, 4.60, 4.56, 4.54
Fdust/Fbol ~10−6
51 Eri b
Projected separation (mas) 449 ± 7 (31 January 2015; 33)
Projected separation (AU) 13.2 ± 0.2 (31 January 2015)
MJ 16.75 ± 0.40
MH 16.86 ± 0.21
MLp 13.85 ± 0.27

行星资料：
Table 2. Modeling results for 51 Eri b.
Cloud-free equilibrium model
SM-750K
Partial-cloud model TB-700K
MJ 16.82 16.64
MH 17.02 16.88
ML 14.3 13.96
Teff (K) 750 700
R (RJ) 0.76 1
log L/Lཤ -5.8 -5.6
log(g) 5.5 3.5
Age (Myr) 10,000 20 (assumed to match stellar
age)
Mass (MJ) 67 2 (from luminosity, assuming
high-entropy start)

直接成象的照片：

读了一下图学人分析：


大约是16年的周期。
原则上只要有三个图才能确定准确的轨道，但对于这样模糊的图象，如果没有十个八个点，真的不好说。

SamuelHan 发表于 2015-8-27 11:17
读了一下图学人分析：

可是如果是16年周期的话就要求恒星质量是太阳的8倍，这不科学

从轨道和主星质量计算，他的周期应为木星周期的三倍以上，我给他算少了。

taucet 发表于 2015-8-27 11:32
可是如果是16年周期的话就要求恒星质量是太阳的8倍，这不科学

他那两个图只给出两个月份的时间，如果他是12月初和次年的1月底的照片，那读图结果就变为32个月了。（按公式算约为36~40年）
况且图片上的运动方向要是差了一个点，结果就差了25%！
所以我说要有十个八个点以上才可靠。

这么大的行星估计内部温度不低

画蛇者 发表于 2015-8-27 13:11
这么大的行星估计内部温度不低

2~12Mj，这个12Mj就是假定他不是矮星而设的质量上限，实际上主星才点火2千万年，如果这个行星质量够大，要达到氘燃烧还言之过早，所以我觉得这上质量上限不可靠，内部一定有高温。

SamuelHan 发表于 2015-8-27 13:29
59Mj，该是褐矮星了，只不过主星点火才2千万年，这个59Mj要发点热还需时日吧。
...

看串了吧，59 Mj 是另外一颗行星 CoRoT-33 b 的质量，这颗行星的质量是 2~12 Mj。

taucet 发表于 2015-8-27 13:51
看串了吧，59 Mj 是另外一颗行星 CoRoT-33 b 的质量，这颗行星的质量是 2~12 Mj。
...

对，串了，所以刚改过来就发现你这个回复了。

taucet 发表于 2015-8-27 13:51
看串了吧，59 Mj 是另外一颗行星 CoRoT-33 b 的质量，这颗行星的质量是 2~12 Mj。
...

他原文有描述，12Mj的上限是因为这个行星的光谱显示他的温度低，所以假定他不是矮星，才设了这个质量上限。

但我的观点是，主星点火才2千万年；
不论行星是与主星在同一系统里先后形成，还是行星是主星的“儿子”要等主星形成之后才能“出生”，如此短的时间，就算这个行星的质量再大，他要达到氘燃烧的时间还早。
现在不能以表面温度确定他的质量上限。

比如一对双星，大主星形成之后，到小伴星点火还差数千万年；
这个时候观察到未点火的低温伴星，就不能按表面温度去确定他的质量上限。