CN113325483A - 一种天基多模式系外类地行星综合探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，包括：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；在视向速度法确认类地行星存在的基础上，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。本文所描述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，功能强大，方法新颖，是系外类地行星探测领域的新方法和新思路。

Description

一种天基多模式系外类地行星综合探测方法及系统

技术领域

本发明涉及空间科学的技术领域，具体地，涉及一种天基多模式系外类地行星综合探测方法。

背景技术

地外生命的搜索一直是人类太空探索的热点，特别是位于宿主恒星宜居带、与地球质量类似的类地行星是人类一直寻求的目标，人类若能在发现地外高智慧生命形态方面取得突破，这将从根本上改变人类对自身乃至整个宇宙的认识，系外生命的载体即行星，搜寻系外生命首先需要搜寻可能存在生命的行星，限于当前的观测水平，人类对系外类地行星的研究和认识还不全面，无法建立类地行星的完整探测样本，这直接导致系外类地行星相关的科学研究还有很多尚未解决的科学问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种天基多模式系外类地行星综合探测方法。

根据本发明提供的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；

步骤2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；并对掩星光变曲线法进行认证；

步骤3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；

步骤4：通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

优选地，所述步骤2中的行星参数包括视向速度振幅K、轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻T。

优选地，所述系外类地行星探测通过系外类地行星综合探测仪来开展探测，对天区掩星光变曲线进行获取、视向速度进行测量及行星大气光谱的探测。

优选地，所述紫外巡天探测通过紫外巡天探测仪来开展探测，对天区范围内进行覆盖探测，对近紫外及远紫外的信号进行采集，并提供地面开展反演及研究。

优选地，所述系外类地行星综合探测仪前端为一台大口径空间望远镜，后端为一个探测包，用于实现优于10m/s的视向速度测量。

优选地，所述紫外巡天成像探测仪是独立望远系统，后端采用通道切换功能，通道一实现NUV滤波成像及FUV光谱探测，通道二实现NUV光谱探测及FUV滤波成像。

优选地，所述系外类地行星探测包括天区掩星光变曲线获取、视向速度测量及行星大气光谱探测，结合行星运行周期，完成对凌食状态捕捉及样本采集，提供地面开展反演及研究。

优选地，所述行星大气光谱探测在当行星发生主掩时，恒星光穿过行星外缘的大气，在大气吸收越强烈的波段，凌星的主掩深度就越深；当行星发生次掩时，在近红外和中红外波段探测发生次掩前后行星昼面和恒星的光，以及正发生次掩时单独恒星的光，得到行星的热发射谱，由行星的热发射谱得到行星大气昼面大气的温度分布。

优选地，所述紫外巡天探测的科学目标包括行星大气气态水紫外探测、获取行星宜居特性佐证、对主带彗星的紫外研究以及对谷神星的紫外研究。

本发明还提供一种天基多模式系外类地行星综合探测系统，包括如下模块：

模块M1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；

模块M2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；并对掩星光变曲线法进行认证；

模块M3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；

模块M4：通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提出了一种以掩星测光、视向速度测速、行星大气透射测谱及多紫外谱段探测“4合1”多功能综合探测的方法，该方法可实现高精度的系外类地行星探测，精细刻画行星的物理化学特征，极大地提升了人类认识系外行星和系外生命的能力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明涉及的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法构架图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1，本发明提供了一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，包括如下步骤：

步骤1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径。

步骤2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，可得到的行星参数：视向速度振幅K、轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻T，并对掩星光变曲线法进行认证。

步骤3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以该被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施高精度光谱和偏振探测，获得其精细结构样本，覆盖其主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演。

步骤4：通过紫外巡天探测仪完成指定天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得该区域的紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

系外类地行星探测主要是通过系外类地行星综合探测仪来开展探测，完成天区掩星光变曲线获取、视向速度测量及行星大气光谱探测，结合行星运行周期，完成对其凌食状态捕捉及样本采集，提供地面开展反演及研究。

天区掩星光变曲线获取基于掩星光变曲线法，通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP可获得行星参数：轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角、恒星及行星半径，根据CCD探测的有效光子数N和光子噪声起比率

分析比较了不同口径的望远镜的探测能力。

视向速度测量基于恒星相对于系统质心周期性变化的视向速度来对系外行星进行探测，该方法对质量较大的行星较敏感，探测精度已达到10m/s，可探测到几倍于地球质量的行星，可得到的行星参数：视向速度振幅K、轨道周期、轨道偏心率e、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻T，并可通过相关参数来计算行星质量。

行星大气光谱探测基于近红外低色散光谱技术的类地行星大气结构探测技术，当行星发生主掩时，小部分的恒星光穿过行星外缘的大气，在大气吸收越强烈的波段，凌星的主掩深度就越深，由此得到的透射谱就能用于研究晨昏线上的大气成分，当行星发生次掩时，可以在近红外和中红外波段探测发生次掩前后行星昼面和恒星的光，以及正发生次掩时单独恒星的光，从而得到行星的热发射谱，由行星的热发射谱可以得到行星大气昼面大气的温度分布。

紫外巡天探测是通过紫外巡天探测仪来开展探测，配合姿态调整，完成一定天区范围内的覆盖探测，完成近紫外及远紫外信号采集，提供地面开展反演及研究；主要科学目标包括行星大气气态水紫外探测、获取行星宜居特性佐证、对主带彗星的紫外研究以及对谷神星的紫外研究；基于我国紫外空间观测的实际现状，开展日地间天空紫外背景辐射研究、天体紫外特性研究和近紫外谱段探测技术研究，其中近紫外谱段探测技术包括主光学系统设计、先进光学器件制造与镀膜技术、无缝光谱仪设计与定标技术、跟踪架结构设计技术及主控制回路与像旋控制技术。

本发明还提供一种天基多模式系外类地行星综合探测系统，包括如下模块：模块M1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；模块M2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；并对掩星光变曲线法进行认证；模块M3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；模块M4：通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

本发明提出了一种以掩星测光、视向速度测速、行星大气透射测谱及多紫外谱段探测“4合1”多功能综合探测的方法，该方法可实现高精度的系外类地行星探测，精细刻画行星的物理化学特征，极大地提升了人类认识系外行星和系外生命的能力。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；

步骤2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；并对掩星光变曲线法进行认证；

步骤3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；

步骤4：通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

2.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述步骤2中的行星参数包括视向速度振幅K、轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻T。

3.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述系外类地行星探测通过系外类地行星综合探测仪来开展探测，对天区掩星光变曲线进行获取、视向速度进行测量及行星大气光谱的探测。

4.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述紫外巡天探测通过紫外巡天探测仪来开展探测，对天区范围内进行覆盖探测，对近紫外及远紫外的信号进行采集，并提供地面开展反演及研究。

5.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述系外类地行星综合探测仪前端为一台大口径空间望远镜，后端为一个探测包，用于实现优于10m/s的视向速度测量。

6.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述紫外巡天成像探测仪是独立望远系统，后端采用通道切换功能，通道一实现NUV滤波成像及FUV光谱探测，通道二实现NUV光谱探测及FUV滤波成像。

7.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述系外类地行星探测包括天区掩星光变曲线获取、视向速度测量及行星大气光谱探测，结合行星运行周期，完成对凌食状态捕捉及样本采集，提供地面开展反演及研究。

8.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类地行星综合探测方法，其特征在于，所述行星大气光谱探测在当行星发生主掩时，恒星光穿过行星外缘的大气，在大气吸收越强烈的波段，凌星的主掩深度就越深；当行星发生次掩时，在近红外和中红外波段探测发生次掩前后行星昼面和恒星的光，以及正发生次掩时单独恒星的光，得到行星的热发射谱，由行星的热发射谱得到行星大气昼面大气的温度分布。

9.根据权利要求1所述的一种天基多模式系外类得行星综合探测方法，其特征在于，所述紫外巡天探测的科学目标包括行星大气气态水紫外探测、获取行星宜居特性佐证、对主带彗星的紫外研究以及对谷神星的紫外研究。

10.一种天基多模式系外类地行星综合探测系统，其特征在于，包括如下模块：

模块M1：通过掩星光变曲线拟合模型JKTEBOP获得行星的轨道周期、轨道偏心率、近星点角距、升交点位置角经度、近星点时刻、轨道倾角及行星半径；

模块M2：通过在轨长时间曝光及大口径望远镜，采用视向速度法对行星进行探测，得到行星参数；并对掩星光变曲线法进行认证；

模块M3：在视向速度法确认类地行星存在的基础上，以被确认行星为探测目标，对系外行星大气实施精度光谱和偏振探测，获得结构样本，覆盖主要特征谱线，并据此开展行星物理及化学特性的反演；

模块M4：通过紫外巡天探测仪完成天区近紫外和远紫外信号采集，找出紫外漫射背景的形成原因并分析紫外光谱能量分布，获得紫外背景辐射，提供地面开展反演及研究。

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