SPECULOOS天文台寻找宜居行星

1月1日，在智利北部仅建设了2年之后，SPECULOOS南方天文台开始了它的全机器人巡天作业。该天文台是一项名为SPECULOOS的新的系外行星搜索的核心设施，SPECULOOS的意思是“寻找遮挡过冷恒星的宜居行星”。它的目标无非是探测岩石和温带行星，这些行星非常适合探测其大气中生命的化学特征。这一雄心勃勃的目标只有结合现代天文设备、高效的探测器技术和世界上最好的天文遗址之一才能实现。

宇宙的其他地方有生命吗?

这一基本问题不仅由哲学家提出，而且越来越多地成为科学研究的课题。在另一个世界上，这样的生命看起来是怎样的?维持一个稳定的生物圈需要什么?在过去的20年里，天文学家已经探测到数千颗系外行星，他们不仅在寻找第二个地球，而且还在开发新的策略来探索从轨道运动到大气层的基本物理性质。因此，我们缩小了可能存在生命的参数，即使是在围绕与太阳完全不同的恒星运行的行星上。

用凌日法在超冷恒星周围寻找行星

目前寻找系外行星最成功的方法是凌日法．同样，金星或水星在太阳前面的凌日，每一颗系外行星，在它的恒星前面移动，都会阻挡一部分恒星光。这导致恒星光线轻微变暗，我们称之为凌日，可以在地球上测量到。这种变暗与行星相对于其恒星的大小成正比。这意味着恒星越小，它被凌日行星挡住的比例就越大。相反，如果我们专注于相对较小的恒星，我们也可以用地面望远镜探测到地球大小甚至比地球更小的小行星。

超冷矮星(ucd)是光谱类型为M6及以上的最小恒星，可以深入到棕矮星区域。这些天体的光度不到太阳的0.1%，因此它们的宜居带(我们称之为像地球一样温和的行星)接近地球到太阳距离的1%。根据开普勒第三定律，在如此近距离的行星上，一年只能持续几天。

简而言之，由于ucd和木星一样小，我们可以通过地面调查发现小型岩石行星在其宜居带的凌日现象。这些行星将使我们第一次研究太阳系外可能存在生命的地方。

SPECULOOS巡天

SPECULOOS是一项持续约10年的专门调查，它将使我们能够观察每个附近的UCD，足够长时间来探测所有在宜居带内大小与火星相当的凌日行星。ESO的帕拉纳尔天文台提供了完美的测光条件(每年285个测光夜)，湿度非常低(80%的夜晚可析出水汽< 4毫米)，以及必要的基础设施，以容纳一个机器人天文台。

图1:SPECULOOS南方天文台的四台望远镜，为夜晚做好了准备

NGTS天文台旁边是SPECULOOS南方天文台(SSO)，这是第二个机器人设施，但不是由ESO帕拉纳尔天文台操作。该项目由Liège大学领导，并与剑桥大学和伯明翰大学合作完成。为了实现k模低至12.5的ucd的高光度精度，它由4个带有赤道支架的机器人1m望远镜组成，由德国公司Astelco Systems设计和建造。F/8里奇-克雷蒂安系统允许我们观察大约13.3弧分的校正视场。这甚至不适合半个月球，但由于SPECULOOS的目标恒星分布在整个天空中，它非常适合以最高的光度精度进行定点观测。

Andor CCD相机支持SPECULOOS观测

为了优化ucd的巡天，每台望远镜都配备了一台Andor iKon-L深耗2k × 2k e2v CCD相机(DZ936N-BEX2-DD)，热电冷却至-60°C。13.5微米的像素尺寸导致像素尺度为0.34弧秒/像素。它在740 nm处提供94%的最大量子效率，在近红外处提供高达950 nm的高灵敏度，这非常适合监测ucd，因为它们的光谱能量分布在红外波长处达到峰值。在这样的波长下，通常的CCD探测器很难探测到来自天空的光的内部反射，也就是所谓的条纹。条纹抑制技术，以及安铎相机的ccd窗口的楔形设计，使我们的光度测量中的条纹最小化到<1%。在5分钟的时间内，单点望远镜的精度在15%的夜晚优于0.1%，在80%以上或所有夜晚优于0.4%。结合帕拉纳尔出色的天文条件和我们高质量的望远镜，我们的Andor相机为SPECULOOS提供了探测所有目标周围小到地球甚至更小的行星所需的灵敏度。

从列日大学自2010年以来进行的TRAPPIST机器人望远镜项目中收集的经验，使我们能够改进控制系统和数据处理，并最大限度地减少整个天文台的调试时间，从而形成一个非常健壮的系统，具有非常低的时间损失和最小的维护。

在一个原型调查中，使用TRAPPIST-South望远镜，我们观察到了50个最亮的SPECULOOS目标[1]。这次小型调查的主要结果是发现了TRAPPIST-1系统中有7颗岩态行星，其中3颗靠近或甚至在恒星[2][3]的宜居带内。这些行星的凌日性质与它们的短轨道周期(几天)、小体积和接近它们的主恒星(40光年)相结合，将使它们的详细大气特征成为可能，未来的天文台，如JWST和ELT。这为更广泛地了解宜居带类地行星大气的形成和多样性打开了新篇章。

“TRAPPIST-1系统代表着我们第一次有机会探测潜在宜居系外行星的大气成分，也许还能在宇宙其他地方探测到第一批生命痕迹。通过SPECULOOS，我们想要发现更多这样的行星!Michaël Gillon说，他是TRAPPIST-1系统的主要发现者和SPECULOOS项目的主要研究员。

图2:第一个夜晚后的日出，四台望远镜都在工作。背景是VISTA的圆顶。

机器人望远镜网络

SPECULOOS调查使用一个机器人望远镜网络来寻找经过最近ucd的行星，SSO是其南部的核心设施。参加SPECULOOS的其他望远镜包括SPECULOOS- northern天文台(SNO，其第一台望远镜于2019年6月开始运行)、SAINT-Ex(墨西哥)、TRAPPIST-South(智利)和TRAPPIST-North(摩洛哥)。它的设计目的是在天空中寻找更多类似TRAPPIST-1的系统和行星。它们中的每一个都将使我们更接近一个诱人问题的答案:宇宙中的其他地方是否存在生命?

SPECULOOS财团由Liège大学(比利时，PI Michael Gillon)、剑桥大学和伯明翰大学(英国)、伯尔尼大学(瑞士)、麻省理工学院(美国)和IAC(西班牙)组成。

图3:SPECULOOS在智利北部的ESO帕拉纳尔天文台开始寻找岩态行星

参考文献

1. Gillon, M.， Jehin, E.， Fumel, A.等人，2013,TRAPPIST-UCDTS:一个原型搜索宜居行星凌日超冷恒星。03001.
2. 古登,m;Jehin大肠;莱德尔，s.m.等人。地球大小的温带行星凌日附近的超冷矮星。见:533 (2016)，no . 7602, S. 221-224
3. 古登,m;Triaud, a.h.m.j.;Demory等人(2017)，“围绕附近超冷矮星TRAPPIST-1的七颗温带类地行星”，542(7642)，456-460。