凌食系外行星系统TTV现象的研究

论文摘要

自1995年第一颗围绕类太阳恒星运动的太阳系外行星被发现之后,随着地面与空间太阳系外行星搜寻项目的不断扩展,目前超过3700颗太阳系外行星已被人类发现。此外,Kepler卫星借助凌食事件法还探测到了4400多颗待证认的太阳系外行星侯选体。对于太阳系外行星系统的研究可以帮助人类认识太阳系自身的形成与演化,同时还可以在太阳系外行星系统中搜寻处于宜居带的类地行星以及系外生命。因而在短短的二十年内,太阳系外行星已经成为了天体物理学的一个重要研究领域。凌食系外行星系统是太阳系外行星系统中独特的一类,系统中的行星周期性地凌食宿主恒星,即所谓的凌食事件。对凌食事件进行测光观测,不仅能够获得系统的物理参数和行星的物理特征,而且通过研究这些凌食事件的中心时刻对严格周期性的偏离,即Transit Timing Variation（TTV）现象,还可以对系统中已发现但尚未被证实的行星侯选体进行证认与刻画,以及对系统中尚未被发现的行星进行探测。更为重要的是,这些基本物理参数为研究系外行星的结构、形成和动力学演化提供了非常重要的线索。因而,我们选取了一些地面巡天计划（例如,SuperWASP和HATNet等）发现的凌食系统进行跟随观测与研究。与此同时,我们还对Kepler空间望远镜发现的行星系统进行新行星的探测与刻画。在2010年到2015年期间,我们利用中国科学院云南天文台1m和2.4m光学望远镜,香港可观自然教育中心暨天文馆0.5m望远镜以及西班牙0.3m望远镜对凌食系外行星系统HAT-P-20的十一次凌食事件实施了测光观测。使用标准的IRAF例程对测光图像进行处理,并对时序测光数据进行系统误差改正,最后得到了十二条较高精度的HATP-20的凌食光变曲线。此外,我们还搜集了文献中可用的光变曲线和视向速度曲线数据。由于该系统的主星表面存在较强的磁场活动,因而这些凌食光变曲线受到了HATP-20表面黑子活动不同程度的扰动。为了更加准确地分析这些凌食光变曲线,我们开发了一套可以同时对行星的凌食事件与行星掩食黑子事件（spot crossing event）进行模拟的工具Spot and Transit Modeling Tool（STMT）。借助STMT得到了HAT-P-20更加准确的系统参数以及凌食中心时刻,并证实该系统较为显著的TTV信号是由主星光球表面较强的磁场活动导致而非系统中尚未探测到的天体的引力摄动所致。通过对Kepler空间望远镜探测到的行星系统进行调研,发现其中的Kepler-411系统比较有研究价值。具体表现在:（1）基于Kepler空间望远镜的测光数据,探测到了三组行星侯选体凌食宿主恒星Kepler-411的信号,但目前只有两组信号被证实为两颗真正的行星;（2）只有未被确认的凌食信号存在较显著的TTV现象,且该TTV的振幅达到50分钟左右;（3）三个凌食天体的轨道周期之间不具备通约性,即产生较强TTV现象的平均运动共振状态（MMR）不存在。经过我们对该系统的测光数据与TTV进行分析,证实第三个信号确实来源于一颗环绕Kepler-411的凌食行星,并探测到了另外一颗与该行星接近1:2 MMR的非凌食行星。基于对测量得到的行星半径和质量的分析,我们发现最内部的凌食行星属于岩石类行星,而外部的两颗凌食行星除内部的固态核还有一定质量的气态包层。最后,对该行星系统进行了大量的动力学模拟发现该系统至少可以稳定运行1 Myr。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 引言
•   1.1 系外行星探测方法简介
•     1.1.1 直接成像法
•     1.1.2 天体测量法
•     1.1.3 视向速度法
•     1.1.4 凌食事件观测法
•     1.1.5 微引力透镜效应法
•     1.1.6 脉冲星计时法
•   1.2 凌食系外行星系统的观测研究现状
•     1.2.1 凌食系外行星系统研究的意义
•     1.2.2 凌食系外行星系统的搜寻
•     1.2.3 凌食系外行星系统的刻画
• 第二章 凌食时间对严格周期性的偏离现象
•   2.1 行星的引力摄动导致的TTV信号
•     2.1.1 情形一
•     2.1.2 情形二
•     2.1.3 情形三
•     2.1.4 情形四
•     2.1.5 情形五
• 第三章 磁活动主星的凌食光变曲线分析工具STMT
•   3.1 磁活动星的凌食光变曲线模型KSint
•     3.1.1 黑子边界的线积分
•     3.1.2 行星盘面边界的线积分
•     3.1.3 行星遮挡黑子区域的积分流量
•     3.1.4 STMT中调整的KSint模型和Occultquad模型
•   3.2 STMT模型参数及其误差估计方法
•     3.2.1 找全局最优解算法GEMCMC
•     3.2.2 参数估计算法DREAM
• 第四章 凌食系统HAT-P-20的TTV研究
•   4.1 引言
•   4.2 观测与数据处理
•     4.2.1 基于YO-1m和YO-2.4m望远镜的观测
•     4.2.2 基于HKNEAC-0.5m望远镜的观测
•     4.2.3 基于OCIO-0.3m望远镜的观测
•     4.2.4 数据处理与系统误差改正
•   4.3 HAT-P-20的磁场活动特征
•   4.4 HAT-P-20的光变曲线分析
•     4.4.1 光变曲线的初步分析
•     4.4.2 HAT-P-20b的凌食中心中心时刻
•     4.4.3 HAT-P-20的系统参数
•   4.5 讨论
•   4.6 总结
• 第五章 凌食系统Kepler-411的TTV研究
•   5.1 引言
•   5.2 凌食系外行星系统Kepler-411的简介
•   5.3 数据分析
•     5.3.1 数据准备与凌食信号搜寻
•     5.3.2 凌食光变曲线分析
•   5.4 Kepler-411的TTV和动力学稳定性的分析
•     5.4.1 Kepler-411的TTV分析
•     5.4.2 Kepler-411系统的稳定性分析
•   5.5 讨论
•     5.5.1 Kepler-411伴星可能带来的影响
•     5.5.2 凌食行星成分的限制
•   5.6 总结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 附录A 英汉词汇对照表
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 孙磊磊

导师: 顾盛宏

关键词: 凌食系外行星系统,凌食事件,恒星黑子,动力学模拟

来源: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 天文学

单位: 中国科学院大学(中国科学院云南天文台)

分类号: P15

DOI: 10.27614/d.cnki.gkytw.2019.000006

总页数: 124

文件大小: 8145K

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