基于CSTAR的系外行星探测及后续研究

发布时间：2017-12-20 17:59

  本文关键词：基于CSTAR的系外行星探测及后续研究　出处：《南京大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：20世纪末,第一颗太阳系外行星的发现,打开了天文学一个全新的研究领域。毫无疑问,系外行星的探测与研究是近年来天文学领域最为热点的方向之一。尽管在早年,视向速度法几乎是唯一有效的系外行星探测方法,但是近年来测光凌星法以其高效性受到广泛青睐。不仅如此,凌星系外行星可以提供更全面的系统信息,有助于更深入的了解系外行星的特点及形成演化过程。大视场,高精度,长基线的连续测光观测,对探测凌星系外行星至关重要。除了耗资巨大的空间望远镜项目(如耗资数十亿美元,专门为探测系外行星凌星设计的Kepler空间望远镜),南极优质的测光条件和漫长的极夜也为进行连续高精度测光提供了可能。为了利用南极冰穹A优异的天文观测条件,中国小望远镜阵列(the Chinese Small Telescope ARray,以下简称CSTAR)被安装在南极冰穹A进行测光观测。CSTAR是由四个14.5cm的望远镜组成,固定的指向南天极。在2008年极夜,CSTAR对南天极附近的20deg2内近20,000颗星进行了长达四个多月的连续观测。基于这一数据,我们开展了凌星系外行星和变星探测。随着国际上系外行星探测成果的不断积累,系外行星研究重点从单纯的探测向探测与刻画并重转变,我们也利用国内丰富的1-m级望远镜资源开展了凌星系外行星的后续监测研究。本文将具体介绍基于CSTAR数据的凌星系外行星与变星探测以及对已知凌星系外行星系统的后续观测研究。第一章,从系外行星的探测历史以及主要的探测方法开始介绍,过渡到系外行星探测结果多样性的综述。在此过程中,可以看到系外行星领域那些引人入胜却又悬而未决的问题。从而引出本文在这些问题上的努力。第二章,首先简要介绍了CSTAR的仪器,观测,先前的数据处理状况,随后,详细介绍了如何通过改正CSTAR中主要的系统误差而提高测光精度的。CSTAR拥有约20 deg2的视场,大视场的消光并不一定均匀,尤其是天气情况较差的时候。如果对整个视场做相同的测光定标,势必会引进系统误差。因此通过比较每一张图像和一张由10,000张最好测光条件下得到图像集合而成的参考图像,获得了每张图像局部的消光情况,并据此对测光结果进行了重新定标。CSTAR是一个静态的望远镜,固定的指向南天极,星像在CCD上做周日运动,不可避免的将CCD平场改正残差引入测光结果。将CSTAR每一颗星与其同一周日运动圈上的参考星做较差测光,改正了这种误差,大大提高了测光精度。最终,对于CSTAR最亮的不饱和星,获得了0.4%的测光精度,完全满足探测凌星系外行星和低幅变星的需求。第三章,介绍了基于CSTAR 2008年观测数据的凌星行星探测与确认工作。我们首先利用广泛使用的Box-fitting Least Square(以下简称BLS)算法搜索凌星事件,之后结合光变曲线特性及主星特性,经过细致的统计分析及目视检测,剔除了大量虚假信号。利用光谱和视向速度后续观测,我们最终确认了六个可能性非常高的凌星系外行星候选体。通过澳大利亚-安古洛3.9m望远镜获得的高精度视向速度观测数据,这些候选体正在逐步确认中。这是国内首次探测到凌星系外行星候选体,也是国际上首次利用南极巡天探测到凌星系外行星候选体。第四章,介绍了基于CSTAR 2008年观测数据进行的变星探测与分类工作。结合两类常见的变星探测手段：光变曲线变化评估(星等-弥散关系,Stetson变星指数)与周期分析,在CSTAR 2008年观测数据中,共探测到274颗变星,其中有83颗是首次发现。利用光变曲线特征结合其他巡天给出的恒星信息,对全部变星进行了分类,其中108个变星首次获得变星分类。第五章,介绍了我们启动的系外行星凌星后续监测项目,并细致的介绍了第一个科学成果。我们利用地基1-m级望远镜对已知的凌星系外行星进行后续观测,以优化系外行星系统参数和凌星历元,确认长周期的凌星行星候选体,通过对凌星中心时刻变化(Transit Timing Variations)的分析探测已知行星周围存在其他行星的可能性,并且利用这种方法确认多凌星系统中的行星候选体,并测量他们的质量。作为这个项目的第一个科学成果,我们对HAT-P-29这个典型的热木星系统进行了发现后的首次测光后续观测,得到了六条高精度的光变曲线,并依此优化了系统参数,改正了凌星历元。基于对凌星中心时刻的分析,利用动力学数值模拟限制了HAT-P-29b周围存在其他行星的可能性。最后,在第六章中,我总结了我博士期间的主要工作,并展望了如何利用视向速度及测光观测来限制并进一步理解一些系外行星领域长期关注的开放问题：超级地球到底是由什么组成的?热木星到底是如何从雪线外迁移到现在的位置?热木星周围是否广泛存在其他小质量行星?大量热木星公转与主星自转轨道不共面是如何产生的?太阳系缺乏短周期行星是否与木星的存在有直接关系?进一步的,将如何把一个以今天的观点看起来如此奇特的太阳系最终放到整个系外行星种群中去理解?
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P15
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本文编号：1312871