2019년 노벨상은물리학이 상은 화요일 1995년에 놀라운 발견을 한 미셸 마요르(Michel Mayor)와 디디에 쿠엘로즈(Didier Queloz)에게 부분적으로 수여되었습니다. 우리 태양과 유사한 머나먼 별 주위를 공전하는 행성을 최초로 발견한 것입니다.그 전에는 지도에 있는 유일한 행성은 우리 태양계의 8개 행성뿐이었습니다.우리는 우주에서 행성이 흔한지 희귀한지도 몰랐습니다. 이는 외계 생명체의 존재 가능성에 큰 영향을 미치는 질문이었습니다.
그것은 과학적 조사의 대단한 위업이었습니다.시장과 Queloz는 50.45 광년 떨어진 페가수스 별자리 51 Pegasi라는 별을 보았습니다.우리는 별에서 발산되는 빛을 볼 수 있지만, 그 거리에서 광원의 각도 크기는 망원경이 분해하기에는 너무 작습니다.즉, 우리는 별 자체를 실제로 볼 수 없습니다.그리고 별을 볼 수 없다면 그 별 주위를 도는 훨씬 더 작은 행성도 확실히 볼 수 없습니다.
그럼 그들은 어떻게 한 걸까요?물론 물리학과 함께.모든 것과 마찬가지로 이를 이해하는 가장 좋은 방법은 모델을 구축하는 것입니다.그럼, 최초로 발견된 외계 행성의 간단한 모델을 구성해 보겠습니다.
별빛을 선별하다
별51 페가시조금 더 거대하지만, 똑같이 가까이에 있다면 구별할 수 없을 것입니다.형편없는 이름의 행성51 페가수스 b은 목성과 같은 거대 가스이지만 궤도 반경이 약 0.05AU에 불과해 별에 엄청나게 가깝습니다.(AU는 Astronomical Unit의 약자로 지구에서 태양까지의 평균 거리입니다.) 비교를 위해 목성의 궤도 반경은 약 5AU입니다.
이제 저는 뒤늦은 판단을 바탕으로 이 문제를 거꾸로 살펴보겠습니다.우리는 궤도 반경과 함께 별과 외계 행성의 추정 질량을 사용하여 이 별-행성 시스템의 동작을 모델링한 다음 이를 감지할 수 있는 방법을 보여 드리겠습니다.물론 시장과 Queloz는 데이터에서 이러한 추정치를 도출해야 했습니다.그러나 그들은 아마도 자신들의 작업을 안내하기 위해 비슷한 모델을 염두에 두고 있었을 것입니다.
좋습니다. 어떤 태양계에도 별과 행성을 하나로 끌어당기는 중력이 있습니다.이 인력은 각 물체의 질량(중에스그리고중피) 및 거리(아르 자형) 사이에 있으며 그 크기는 다음과 같이 주어진다.
여기,G은 중력 상수이며 값은 6.67 x 10입니다.-11N·m2/kg2.그러면 천체에 작용하는 힘은 실제로 어떤 역할을 합니까?운동량 원리에 따르면 운동량은 변합니다(피)... 여기서 운동량은 속도(다섯) 곱하기 질량.이와 같이:
문자 앞의 그리스 기호 Δ는 해당 변수의 작은 변화를 나타냅니다.아, 그리고 변수 위에 화살표가 있나요?그들은 이것이 벡터량임을 보여줍니다.공상적으로 들릴 수도 있지만 힘과 운동량의 크기에 방향 정보를 추가할 뿐입니다.우리는 알아야 한다어디일이 잘 진행되고 있는 것 맞죠?
이제 이 별-행성 시스템의 움직임을 추적하기 위해 단계적 수치 방법을 사용하겠습니다.위의 방정식은 별과 행성 모두에 작용하는 힘을 제공합니다.이를 통해 짧은 시간 간격(Δ) 동안 각 물체의 운동량 변화를 계산할 수 있습니다.티).그럼 내가 사용할 수 있습니다저것별과 행성의 새로운 위치를 찾기 위해.다음은 힘의 다이어그램입니다(에프) 및 그에 따른 운동량 변화(빨간색 화살표):
"짧은" 시간 간격은 얼마나 긴가요?51 페가시 b는 지구 기준으로 단 4일 만에 별 주위를 공전하는데, 이는 엄청나게 빠른 속도입니다.그럼 100초 간격으로 시도해 보겠습니다.그런 다음 전체 회전 하나를 계산하려면 이러한 힘과 운동량 계산을 3,000회 이상 반복하면 됩니다.하아!문제 없습니다. 짧은 Python 스크립트에 넣고 반복하면 됩니다.재생 버튼을 클릭하여 실행하세요.
행성이 별을 공전하고 있는 것은 분명합니다.하지만 이 규모에서는 볼 수 없는 또 다른 일이 일어나고 있습니다. 바로 별도 움직입니다!중력으로 인해 별은 행성과 정확히 동일한 운동량 변화를 경험하게 됩니다.훨씬 더 큰 질량을 가지고 있기 때문에 (그리고 그것을 기억하면피=중Ã다섯), 이는 속도의 변화가 훨씬 작다는 것을 의미하지만 고정되어 있지는 않습니다.기본적으로 행성이 돌 때 아주 조금씩 흔들립니다.
좀 더 확대해 보겠습니다. Python 모델의 결과를 사용하여 별의 움직임을 1차원으로 그렸습니다.(간단히 설명하기 위한 것입니다. 3차원 공간을 위한 3축 좌표계를 생각해 보세요...엑스,와이, 그리고지.나는 단지 임의로 속도를 추적하고 있을 뿐입니다.와이방향.)코드는 다음과 같습니다.이 플롯에 대해 (만일의 경우에 대비하여).
일러스트: 레트 알랭최대 속도가 200m/s 미만인 별은 행성보다 훨씬 느리게 움직이지만 움직이고 있습니다.
행성은 볼 수 없지만 지구는 볼 수 있습니다.영향별의 속도에 따른 행성의 변화.그리고 별빛을 보면 별의 속도를 "볼" 수 있습니다.도플러 효과.
당신은 이미 과속 열차가 당신을 지나쳤을 때의 도플러 효과에 대해 알고 있습니다.아니면 트랙에 경주용 자동차가 있습니다.다음과 같이 들립니다:
아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아아...
다시는 그런 짓을 하지 마세요.하지만 그것은 도플러 효과의 대표적인 소리입니다.시끄러운 물체가 당신을 향해 움직일 때, 당신은 더 높은 음조(더 높은 주파수)로 소리를 듣게 됩니다.그것이 당신을 지나쳐 멀어질 때, 당신은 더 낮은 음조로 듣는다.
음, 빛에도 도플러 효과가 있습니다.별이 당신을 향해 움직이면 그 빛은 색상 스펙트럼의 파란색 끝(더 높은 주파수/더 짧은 파장) 쪽으로 이동합니다.그것이 당신에게서 멀어질수록 그 빛은 스펙트럼의 빨간색 끝(더 긴 파장) 쪽으로 이동합니다.
유용하네요!우리는 빛의 속도를 알고 있기 때문에기음(약 3×108m/s), 우리는 파장의 변화를 측정할 수 있고, 이를 통해 별의 속도를 추론할 수 있습니다.여기, Ν중는 측정된 파장이고, ζ는는 고정되어 있을 때 볼 수 있는 파장입니다.0일러스트: 레트 알랭
문제가 있다고 볼 수 있습니다.물체의 속도(다섯)의 분자는 빛의 속도에 비해 매우 작습니다(기음) 분모(페가수스 51개)에서는 아주 작은 파장 변화만 얻을 수 있습니다.예를 들어볼까요?
이 별이 500나노미터(1미터의 5000억분의 1미터) 파장의 스펙트럼 선을 생성한다고 가정해 보겠습니다.이것은 대략 녹색에 해당합니다.위 모델의 해당 파장과 별의 속도를 사용하여 시간 경과에 따른 측정된 파장의 플롯은 다음과 같습니다.
규모가 크기 때문에 변동이 큰 것처럼 보입니다.와이축이 너무 작아요.자세히 살펴보면 파장 범위가 500.00000nm에서 500.00031nm 사이임을 알 수 있습니다.그건극도로변화가 작아 감지하기가 매우 어렵습니다.하지만 잠깐만요... 상황이 점점 더 악화되고 있어요!우리는 별이 우리를 향해 흔들거리며 멀어지고 있다고 가정합니다.하지만 행성의 궤도가 지구에 대해 별을 위아래로 흔든다면 어떻게 될까요?이 경우 파장 변화가 전혀 보이지 않습니다.우리는 그곳에 행성이 있는지 전혀 몰랐습니다.
도전적인 것 같나요?이제 당신은 왜 1995년까지 걸렸는지, 그리고 왜 시장과 Queloz가 그들의 성취에 대해 영예를 받는지 알게 되었습니다.노벨상 위원회는 그들이 “천문학에 혁명을 일으켰다”고 말했습니다. 실제로 천문학자들은 그들이 개척한 방법과 다른 창의적인 기술을 사용하여 은하계에서 4,000개가 넘는 외계 행성을 발견했습니다.누가 알겠는가, 우리는 뛰어난 과학자들이 있는 곳을 찾을지도 모른다.
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