Войти
Диаграмма, показывающая, как меньший объект (например, внесолнечная планета ) вращается вокруг более крупного объекта (например, звезда ) может вызывать изменения положения и скорости последних, когда они вращаются вокруг своего общего центра масс (красный крест). 
Доплеровская спектроскопия обнаруживает периодические сдвиги лучевой скорости путем записи вариации цвета света звезды-хозяина. Когда звезда движется к Земле, ее спектр смещается в синюю сторону, а когда она удаляется от нас, смещается в красную сторону. Анализируя эти спектральные сдвиги, астрономы могут определить гравитационное влияние внесолнечных планет. Доплеровская спектроскопия (также известная как метод лучевых скоростей, или, в просторечии, метод колебания ) - это косвенный метод для обнаружения внесолнечных планет и коричневых карликов на основе измерений лучевых скоростей с помощью наблюдения Доплера. сдвигает в спектре родительской звезды планеты.
880 внесолнечных планет (около 21,0% от общего числа) были обнаружены с помощью доплеровской спектроскопии по состоянию на февраль 2020 года.
Открытые экзопланеты по годам (по состоянию на февраль 2014 г.). Те, которые были обнаружены с использованием лучевой скорости, показаны черным, а все остальные методы - светло-серым. Отто Струве в 1952 году предложил использовать мощные спектрографы для обнаружения далеких планет. Он описал, как очень большая планета, например, размером Юпитер, может вызвать небольшое колебание своей родительской звезды, когда два объекта вращаются вокруг своего центра масс. Он предсказал, что небольшое доплеровское смещение к свету, излучаемому звездой, вызванное ее непрерывно изменяющейся лучевой скоростью, будет обнаруживаться наиболее чувствительными спектрографами в виде крошечных красных смещений и голубых смещений в излучение звезды. Однако технология того времени обеспечивала измерения лучевой скорости с ошибками в 1000 м / с или более, что делало их бесполезными для обнаружения планет, вращающихся вокруг орбиты. Ожидаемые изменения лучевой скорости очень малы - Юпитер заставляет Солнце изменять скорость примерно на 12,4 м / с за период 12 лет, а влияние Земли составляет всего 0,1 м / с за период 1 год - поэтому требуются долгосрочные наблюдения с помощью инструментов с очень высоким разрешением .
Достижения в области спектрометрических технологий и методов наблюдений в 1980-х и 1990-х годах привели к появлению инструментов, способных обнаруживать первые из много новых внесолнечных планет. Спектрограф ELODIE, установленный в Обсерватории Верхнего Прованса на юге Франции в 1993 году, мог измерять смещение лучевых скоростей до 7 м / с, что достаточно для внеземного наблюдателя. обнаружить влияние Юпитера на Солнце. С помощью этого инструмента астрономы Мишель Майор и Дидье Келоз идентифицировали 51 Pegasi b, «Горячий Юпитер » в созвездии Пегаса. Хотя планеты ранее были обнаружены на орбите пульсаров, 51 Pegasi b была первой планетой, когда-либо обнаруженной на орбите звезды главной последовательности, и первой планетой, обнаруженной с помощью доплеровской спектроскопии.
В ноябре 1995 года ученые опубликовали свои выводы в журнале Nature ; статью процитировали более 1000 раз. С тех пор было идентифицировано более 700 кандидатов в экзопланеты, и большинство из них было обнаружено программами поиска Доплера, основанными на Кек, Лик и англо-австралийский Обсерватории (соответственно, поиск планет в Калифорнии, Карнеги и англо-австралийских планетах) и группы, базирующиеся в Женевском поиске внесолнечных планет.
Начиная с начала 2000-х, спектрографы для поиска планет второго поколения позволили получить гораздо более точные измерения.. Спектрограф HARPS, установленный в обсерватории Ла Силья в Чили в 2003 году, может определять смещение лучевых скоростей до 0,3 м / с, что достаточно для обнаружения многих каменистых, похожих на Землю. планеты. Ожидается, что в 2017 году появится третье поколение спектрографов. При погрешности измерения ниже 0,1 м / с эти новые инструменты позволят внеземному наблюдателю обнаружить даже Землю.
Свойства (масса и Большая полуось) планет, открытых в 2013 году с использованием лучевой скорости, по сравнению (светло-серый) с планетами, обнаруженными другими методами. Выполняется серия наблюдений за спектром света, излучаемого звездой. Могут быть обнаружены периодические изменения в спектре звезды, при этом длина волны характерных спектральных линий в спектре регулярно увеличивается и уменьшается в течение определенного периода времени. Затем к набору данных применяются статистические фильтры, чтобы нейтрализовать эффекты спектра от других источников. Используя математические методы наиболее подходящего, астрономы могут выделить контрольную периодическую синусоидальную волну, которая указывает на планету на орбите.
Если обнаружена внесолнечная планета, минимальная масса планеты может быть определена по изменению лучевой скорости звезды. Чтобы найти более точное измерение массы, необходимо знать наклон орбиты планеты. График измеренной радиальной скорости в зависимости от времени даст характеристическую кривую (синусоида в случае круговой орбиты), а амплитуда кривой позволит рассчитать минимальную массу планеты с использованием бинарная функция масс.
Байесовская периодограмма Кеплера - это математический алгоритм, используемый для обнаружения одной или нескольких внесолнечных планет на основе последовательных измерений лучевой скорости звезды, вокруг которой они вращаются.. Он включает в себя байесовский статистический анализ данных о лучевых скоростях с использованием prior распределения вероятностей в пространстве, определяемом одним или несколькими наборами кеплеровских параметров орбиты. Этот анализ может быть реализован с использованием метода цепи Маркова Монте-Карло (MCMC).
Метод был применен к системе HD 208487, что привело к очевидному обнаружению второй планеты с периодом примерно 1000 дней. Однако это может быть артефакт звездной активности. Этот метод также применяется к системе HD 11964, где обнаружена кажущаяся планета с периодом около 1 года. Однако эта планета не была обнаружена в восстановленных данных, что позволяет предположить, что это обнаружение было артефактом орбитального движения Земли вокруг Солнца.
Хотя лучевая скорость звезды дает только минимальную массу планеты, если спектральные линии планеты можно отличить от спектральных линий звезды, затем можно определить лучевую скорость самой планеты, что дает наклон орбиты планеты и, следовательно, фактическую массу планеты. Первой планетой без транзита, масса которой была определена таким образом, была Tau Boötis b в 2012 году, когда в инфракрасной части спектра был обнаружен окись углерода.
График справа иллюстрирует синусоидальную кривую с использованием доплеровской спектроскопии для наблюдения лучевой скорости воображаемой звезды, вращающейся вокруг планеты по круговой орбите. Наблюдения за реальной звездой приведут к аналогичному графику, хотя эксцентриситет на орбите исказят кривую и усложнят приведенные ниже вычисления.
Эта теоретическая скорость звезды показывает периодическую дисперсию ± 1 м / с, что указывает на вращающуюся массу, которая создает гравитационное притяжение этой звезды. Используя третий закон движения планеты Кеплера,, наблюдаемый период обращения планеты вокруг звезды (равный периоду наблюдаемых изменений в спектре звезды) может быть использован для определить расстояние до планеты от звезды (
где:
Определив
где 
Массу планеты затем можно найти из рассчитанной скорости планеты:
где 
Таким образом, принимая значение для наклона орбиты планеты и массы звезды, наблюдаемые изменения в лучевая скорость звезды может быть использована для расчета массы внесолнечной планеты.
| Планета Масса | Расстояние. AU | Радиальная скорость звезды, обусловленная планетой. (v радиальная) | Примечание |
|---|---|---|---|
| Юпитер | 1 | 28,4 м / s | |
| Юпитер | 5 | 12,7 м / с | |
| Нептун | 0,1 | 4,8 м / с | |
| Нептун | 1 | 1,5 м / с | |
| Супер-Земля (5 M⊕) | 0,1 | 1,4 м / с | |
| Альфа Центавра Bb (1,13 ± 0,09 M⊕;) | 0,04 | 0,51 м / с | (1) примечание 1 |
| Супер-Земля (5 M⊕) | 1 | 0,45 м / с | |
| Земля | 0,09 | 0,30 м / с | |
| Земля | 1 | 0,09 м / с |
Ссылка: Примечание 1: самые точные v радиальные измерения из когда-либо зарегистрированных. Использовался спектрограф HARPS ESO.
примечание 1: неподтвержденные и оспариваемые
| Планета | Тип планеты. | Большая полуось. (AU ) | Орбитальный период. | Радиальная скорость звезды, обусловленная планетой. (м / с) | Обнаруживается по: |
|---|---|---|---|---|---|
| 51 Пегасу b | Горячему Юпитеру | 0,05 | 4,23 дня | 55,9 | спектрограф первого поколения |
| 55 Cancri d | Газовый гигант | 5,77 | 14,29 года | 45,2 | спектрограф первого поколения |
| Юпитер | Газовый гигант | 5,20 | 11,86 года | 12,4 | спектрограф первого поколения |
| Gliese 581c | Super-Earth | 0,07 | 12,92 дня | 3,18 | спектрограф второго поколения |
| Сатурн | Газовый гигант | 9,58 | 29,46 года | 2,75 | спектрограф второго поколения |
| Альфа Центавра Bb ; неподтвержденные и оспариваемые | Планета земного типа | 0,04 | 3,23 дня | 0,510 | спектрограф второго поколения |
| Нептун | Ледяной гигант | 30,10 | 164,79 года | 0,281 | спектрограф третьего поколения |
| Земля | Обитаемая планета | 1,00 | 365,26 дня | 0,089 | спектрограф третьего поколения (вероятно) |
| Плутон | карликовая планета | 39,26 | 246,04 года | 0,00003 | Не обнаруживается |
| Звездная масса. (M☉ ) | Планетная масса. (M⊕ ) | Lum.. (L0) | Тип | RHAB. (AU ) | RV. (см / с) | Период. (дни) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0,10 | 1,0 | 8 × 10 | M8 | 0,028 | 168 | 6 |
| 0,21 | 1,0 | 7,9 × 10 | M5 | 0,089 | 65 | 21 |
| 0,47 | 1,0 | 6,3 × 10 | M0 | 0,25 | 26 | 67 |
| 0,65 | 1,0 | 1,6 × 10 | K5 | 0,40 | 18 | 115 |
| 0,78 | 2,0 | 4,0 × 10 | K0 | 0,63 | 25 | 209 |
Главное ограничение с допплеровским режимом спектроскопия заключается в том, что она может измерять только движение по линии прямой видимости, и поэтому зависит от измерения (или оценки) наклона орбиты планеты для определения массы планеты. Если орбитальная плоскость планеты совпадает с линией прямой видимости наблюдателя, то измеренное изменение лучевой скорости звезды является истинным значением. Однако, если плоскость орбиты отклонена от линии прямой видимости, то истинное влияние планеты на движение звезды будет больше, чем измеренное изменение лучевой скорости звезды, которая является лишь составляющей вдоль оси. Поле зрения. В результате истинная масса планеты будет больше измеренной.
Чтобы скорректировать этот эффект и таким образом определить истинную массу внесолнечной планеты, измерения лучевой скорости могут быть объединены с астрометрическими наблюдениями, которые отслеживают движение звезды по плоскости. неба, перпендикулярно линии прямой видимости. Астрометрические измерения позволяют исследователям проверить, являются ли объекты, которые кажутся планетами с большой массой, более вероятными коричневыми карликами.
Еще одним недостатком является то, что газовая оболочка вокруг определенных типов звезд может расширяться и сжиматься, а некоторые звезды могут расширяться и сжиматься. переменная. Этот метод не подходит для поиска планет вокруг этих типов звезд, так как изменения в спектре излучения звезды, вызванные внутренней изменчивостью звезды, могут заглушить небольшой эффект, вызванный планетой.
Этот метод лучше всего подходит для обнаружения очень массивных объектов, близких к родительской звезде - так называемых «горячих юпитеров » - которые оказывают наибольшее гравитационное воздействие на родительскую звезду и поэтому вызывают наибольшие изменения его лучевой скорости. Горячие юпитеры оказывают наибольшее гравитационное воздействие на свои родительские звезды, потому что у них относительно небольшие орбиты и большие массы. Наблюдение за множеством отдельных спектральных линий и за множеством орбитальных периодов позволяет увеличить отношение сигнала к шуму при наблюдениях, увеличивая вероятность наблюдения более мелких и далеких планет, но такие планеты, как Земля, остаются необнаруживаемыми с помощью современных инструментов.
Слева: изображение звезды, вращающейся вокруг планеты. Все движение звезды происходит по линии взгляда зрителя; Доплеровская спектроскопия даст истинное значение массы планеты.. Справа: в этом случае звезда не движется по линии прямой видимости наблюдателя, а метод доплеровской спектроскопии вообще не обнаружит планету. 
