中华民国第四十七届中小学科学展览会作品明书高中组地球科学科

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1、中華民國第四十七屆中小學科學展覽會作品說明書高中組地球科學科040511太陽系外行星HD189733b和HD209458b光度測量與分析學校名稱：臺北市立麗山高級中學作者：指導老師：高二陳漢洲萬義關鍵詞：凌日現象HD189733bHD209458b壹、摘要搜尋太陽系外行星（extra-solarplanet；exoplanet）是當今天文學家最重要的計畫之ㄧ；其中，當系外行星經過其主星碟面時，會造成光度略微下降，稱之為凌日現象（transit）。本研究利用鹿林天文台SLT（SneLittleTelescope）望遠鏡來拍攝兩顆已知的系外行星H

2、D189733b和HD209458b在凌日時的影像。在經過影像修正與資料分析後，作出凌日光變曲線圖，分析判斷後，HD189733看到一個剛開始發生和一個完整的凌日現象，分別由B濾鏡和R濾鏡拍攝；而HD209458則看到兩個剛開始發生，三個要結束的凌日現象，分別由B濾鏡、R濾鏡和Hα濾鏡拍攝。本研究成功得到完整的HD189733光變曲線圖，並推得其基本參數，包括：行星半徑為1.242個木星半徑、軌道傾角為88.94度及軌道半徑為0.03115天文單位。2貳、研究動機於一次偶然的機遇下，在天文館的電子報上看到一則有關系外行星的報導，內容是到目前為

3、止觀測條件最佳的系外行星HD189733b。這類研究是很新、且是突破性的題材，因為不發光的行星對於能自行發光的恆星而言，就像是隱形的天體。近年來，許多天文學家不斷地研究系外行星，一步步描繪出太陽系以外的行星運作模式及性質，進而探討行星系統起源的理論。看到相關新知陸續報導，引發我強烈興趣，猶如親臨最前線，對系外行星想要有更進深的了解。參、研究目的1.拍攝系外行星凌日現象時的影像。2.繪製系外行星凌日光變曲線。3.分析因凌日現象而產生的光度變化並找出其特性。4.利用所得到的凌日光變曲線推算行星的基本參數。肆、文獻探討系外行星，顧名思義為太陽系外的

4、行星。1995年，Mayor和Queloz利用恆星運行所產生的都卜勒效應，偵測到一顆環繞在類太陽恆星的系外行星，51Pegb（Mayor&Queloz，1995）。自發現以來，大部分是利用都卜勒視向速度變化(圖一)，經過光譜紅移與藍移分析而發現的，目前此方法已找到200多顆。但此方法需要解析度很高的光譜儀，並受限於亮星，對於較暗的星，要使用其他方法。根據觀測雙星系統（最有名的是天狼星與其伴星），發現其軌道繞一質心運行。系外行星也會造成此現象，源自質量與彼此距離造成恆星位置的變化(圖二)。可用相同方法搜尋，但缺點是需要長時間的確認，且無法找到質

5、量過小的行星。近年來，進展迅速的是利用觀測凌日現象所產生光度變化搜尋系外行星(圖三)。優點在於可同時監測整個目標星場，大幅提高找到行星的機率，且可定出較精準的質量與半徑（Seager，2003），並由此推測出密度等參數，另外還能觀測比光譜更遠更暗的星。但是，此方法對於望遠鏡系統及資料處理精確度要求很高，因為凌日現象所造成的光度變化，以木星大小及與太陽類型恆星的距離而言，只有0.01個數量級的變化，且只能找出疑似的系外行星，最後確認還是需要透過光譜分析。對於太暗無法使用光譜儀觀測的星，則需要長時間觀測其光度變化，以便確認。根據廣義相對論，光線因

6、受到重力場影響而彎曲，造成似放大鏡的聚光效應，最著名的是愛因斯坦環與愛因斯坦十字。系外行星也可利用微重力透鏡光度變化的方法進行搜尋(圖四)。此方法可較準確地測得系外行星的質量。但發生機率小且不容易發現，有較多發展空3間。紅外線波段有時可以直接觀測到恆星與他的行星，但需要非常尖端的儀器，即大尺寸的望遠鏡配合高解析度的CCD在地面天文台或太空望遠鏡，才有可能進行(圖五)。圖一、視向速度測量法示意圖（ESP，http://www.psi.edu/esp/method.html）圖二、恆星與行星互繞示意圖（ESP、Stareproject，http:

7、//www.psi.edu/esp/method.html、http://www.hao.ucar.edu/public/research/stare/search.html#methods）圖三、凌日現象時的光度變化示意圖（ESP，http://www.psi.edu/esp/process.html）4圖四、微重力透鏡效應示意圖（MPS，http://www.nd.edu/~srhie/MPS/）圖五、系外行星GQLup影像（ESO，http://www.eso.org/）一般來說，我們在發現一顆系外行星後，希望得到它的一些基本參數，如下

8、表一：表一、基本參數表基本參數單位恆星質量[M☉]恆星半徑[R☉]行星質量[MJ]行星半徑[RJ]-3行星密度[gcm]公轉週期[days]軌道距離[AU]軌道傾角