空间系外行星探测与研究进展

系外行星学科是近30年来迅速发展起来的一门新兴学科.其主要研究内容和目标包括,通过发展各种探测技术探测太阳系外行星,分析行星轨道、成分、大气性质,评估行星的宜居性,统计行星的分布规律,从理论和观测上揭示行星系统的形成和动力学演化机制.系外行星的研究对于回答宇宙中是否存在其他生命以及人类在宇宙中的地位和意义等问题具有重要意义.随着21世纪空间探测技术的发展,系外行星的研究进入了崭新及快速的发展阶段.本文分析了系外行星研究领域的发展态势,凝练中国在系外行星未来空间探测发展的重点领域,优化学科布局,以推进系外行星研究的快速稳步发展.

恒星活动与系外宜居行星探索卫星——“紫瞳”科学卫星

生命从哪里来?人类在宇宙中是否独一无二?这些都是各国科学界研究的重大科学问题。恒星辐射与活动性是决定行星宜居性的关键因素。本文提出的科学卫星“紫瞳”,瞄准了系外宜居行星探测等重大科学问题,首次在近紫外-可见光双波段开展恒星活动观测与系外行星搜寻,并期望在“另一个地球”搜寻上取得重大突破。“紫瞳”载荷为4个共视场(10°×10°)的30 cm口径望远镜,等效口径50 cm。“紫瞳”主要科学目标包括:对1000多万颗恒星开展活动性监测,揭示恒星活动性规律;发现2000多颗系外行星候选体,揭示热行星的大气特征;发现红矮星周围的“另一个地球”。此外,“紫瞳”在太阳系小天体探测、暂现源监测、超大质量黑洞搜寻和刻画、引力波对应体搜寻等时域天文学领域也发挥着重要作用,帮助理解宇宙中极端高能事件的物理机制。

天体运动的轨道偏心率研究概述——从恒星系统到行星系统

偏心率是描述天体运动轨道的重要参数之一,能够为揭示天体的动力学演化提供重要线索,进而帮助理解天体形成与演化的过程及背后的物理机制.随着天文观测技术的不断发展,人们对于天体运动轨道的研究已经走出太阳系,包含的系统也从大质量端的恒星系统延伸到了低质量端的行星系统.聚焦天体轨道偏心率研究,回顾了目前在恒星系统(包括主序恒星、褐矮星以及致密星)和行星系统(包括太阳系外巨行星以及"超级地球"、"亚海王星"等小质量系外行星)方面取得的进展,总结了不同尺度结构下偏心率研究的一些共同之处和待解决的问题.并结合当下和未来的相关天文观测设备和项目,对未来天体轨道偏心率方面的研究工作进行了展望.

基于CSST多色测光的时序测光精度分析

中国巡天空间望远镜(Chinese Survey Space Telescope,CSST)是中国的首个大型空间光学望远镜,将对包括系外行星探测在内的诸多科学目标开展研究,有望取得前沿科学进展.时序测光精度是CSST重要的性能指标,受到物理噪声和仪器噪声的影响,需要通过数值模拟对其分析和评估.模拟基于目前公布的CSST主要技术参数,建立了时序的恒星信号和噪声模型,以CSST的i波段为例,分析凝视观测模式下的测光精度.通过数值仿真,展示了孔径测光中各项噪声的贡献,特别是由指向抖动和像素响应不均匀性导致的抖动噪声.模拟结果还给出了测光孔径的推荐范围.为了获得更高的信噪比,可以减小仪器抖动振幅和像素不均匀性,或者采用参考星较差测光的方式.结果为CSST后续的时序测光精度与不同指标参数的相关性分析、系外行星探测能力评估以及测光数据处理提供了模拟数据的支撑.

利用南京大学时域天文台(TiDO)开展系外行星探测研究

系外行星探测近年来发展迅速,已成为天文学的热点领域。系外行星探测对行星形成和演化等理论研究具有重要的意义。利用地面大视场望远镜的长时间基线优势,可以开展系外行星的发现或认证工作。南京大学时域天文台(Time Domain Observatory,TiDO)是一批大视场、高精度的系外行星观测设备,包括6个望远镜及终端,放置在冷湖赛什腾山,将于2023年底完成建设并开展科学试运行。届时Ti DO拟开展系外行星大天区巡天搜寻、特定行星系统的凌星后随观测以精细刻画系外行星系统的物理和动力学特征,以及太阳系小天体观测工作。此外,TiDO的观测数据也可以用于双星、变星、恒星耀发等时域天文研究。

行星环动力学

行星环动力学的研究对揭示太阳系、星系的形成和演化有重要的意义。旅行者2号的行星际探测，极大地丰富了我们对行星环的认识，给行星环动力学的研究带来了活力。文中综述了在行星轴对称势、环自引力势、环粒子碰撞、卫星摄动等因素影响下的行星环的研究方法及研究进展。

太阳系外行星系统的形成及未来探测计划

太阳系外行星的探测与研究是目前国际上的前沿热门领域。近年来,随着一些关键探测技术的突破,以及空间望远镜的使用,相继发现了900多颗太阳系外行星。这些太阳系外行星系统的发现,对现有的行星形成和演化模型提出了新的挑战。首先介绍了两种目前比较公认的行星形成机制,并提出了系外行星探测的一些热点问题,指出未来太阳系外行星系统的探测计划重要目标之一是发现宜居行星。最后,简单介绍了将要实施或正在实施的一些国际国内太阳系外行星的探测计划。

Kuiper带小天体动力演化

Kuiper带是指太阳系内位于离太阳 30～ 50AU一个区域。 1 992年该区域陆续发现了一群半径在几十到几百公里的小天体。这些小天体在Kuiper带的分布是极其不均匀的。Kuiper带小天体的发现对人们认识太阳系的形成与演化有重要的意义。本文回顾了近年来国际上在Kuiper带小天体动力演化方面的研究 ,着重分析了目前国际上几种用以解释其非均匀分布的动力学机制 ,并提出目前该领域的一些尚未解决的问题。

天王星环的自引力势

本文用Ｎ流线方法（Ｎ→∞）导出了天王星具非零偏心率环中任一点处自引力势的解析表达式，并由数值计算给出了表达式的系数，据此解释并验证了二流线的自引力模型将会过高估计环质量的结论，并给出了定量的结果：对ε、α、β环，Ｎ流线方法（Ｎ→∞）得到的环质量将约为二流线方法相应结果的２／５．

具抛物不动点的二维保测度映射及其三维扩张的KS熵

我们已经研究了分别具椭圆和双曲不动点的二维保测度映射及其受摄三维扩张的ＫＳ熵。本文研究一类具抛物不动点的二维保测度映射：及其受摄扩张：的ＫＳ熵随参数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ的变化．数值探索结果表明：适当定义区域内的二维映射Ｔ２的ＫＳ熵与Ａ无关，与我们的理论分析结果相一致。受摄扩张映射Ｔ３的ＫＳ熵随摄动参数Ｂ、Ｃ、Ｄ的增大而增大，却随Ｅ的增大而减小．我们还发现，随着摄动的逐渐增强，映射Ｔ３的不变环面将逐渐破裂，使更多的轨道逃逸，从而可能使映射Ｔ３的ＫＳ熵减小。另外，不变环面存在的判别式在大范围内仍在一定程度上有效。

Lagrange三角平动点邻近的相空间结构

构造描述一类特殊平面圆型限制性三体问题的一个映射，并用这个映射讨论了该类三体问题Ｌａｇｒａｎｇｅ 三角平动点邻近的相空间结构以及它的稳定性，发现当两个主天体的质量比μ＜ ０ ．０２１６５ 时，除去μ＝ ０ ．０１４４０ 的例外情况，三角平动点被不变曲线包围，是稳定的，这与理论结果相符，由此可解释特罗央群和希腊群小行星的稳定存在．

一种质点系统平衡态的非线性稳定性

在具各向异性速度分布的质点系统的总能量小于零时，由非静态维里定理构造了该系统的一个旋转椭球形平衡态．讨论该平衡态的非线性稳定性．发现在上述平衡态附近旋转椭球作拟周期或近拟周期运动，尽管存在混沌运动和轨道扩散行为，但是对实际的时间尺度而言，可以认为该平衡态具有非线性稳定性．有关结果在用Ｎ－体数值模拟研究恒星系统振动行为时有一定的应用价值．

KS－熵与混沌层次

有两种不同类型的混沌层次：一种得之于映射维数的增加；另一种则由不变环面分叉产生。通过计算相应的ＫＳ－熵，我们发现前者只是一种几何现象，后者则是本质的混沌层次，即伴随有混沌性的增加。

小行星运动中的轨道扩散性质

在详细讨论一个辛映射的过程中 ,我们注意到轨道在相空间不同区域有着不同的扩散规律 :在充分发展的混沌区 ,残余的轨道数目随时间按指数律衰减 ;在混合区域 ,则是代数律· 在相空间中特定的区域 ,扩散还可以用对数律描述· 在一个稳定的岛屿附近 ,逃逸时间的对数随着离开岛屿的距离的增大而线性下降 ;而当逼近岛屿的时候 ,逃逸时间极迅速地上升 ,与不变曲线的超指数稳定性一致· 利用此映射研究小行星运动时 ,它的不动点及其稳定性可解释小行星的分布· 此外 ,本文还讨论了在 4 :3,3:2和 2 :1共振处小行星轨道的扩散速度·

双频标准映射不变环面的破裂

利用旋转数方法以及周期轨道方法确定了双频标准映射中最后一个不变环面破裂的频率为(73+13(5^(1/2)))/(309+55 (5^(1/2))),属于黄金分割频率族,其在连分数展开下具有[4,4,3,3,1,…,1,…]的形式.该环面破裂的临界摄动参数约为0.4476.与单频标准映射相比,增加激发频率可以导致最后一个环面的临界摄动参数减小,使得系统的全局不稳定性增加,一些轨道更容易扩散到相空间作用量较大的地方.

南极太阳系外行星搜寻与Kepler行星TTV研究

南极AST3望远镜研究将会获得南天极附近天区恒星长时序高精度的测光数据。从这些数据里,我们可以通过探测行星掩星信号来搜寻太阳系外行星,也可以根据多次掩星之间的间隔变化(TTV)来确认多行星系统。2013年度,我们处理了CSTAR2008年的i波段数据,剔除了数据类几种类型的误差,将精度提高到1%以下,从而能够有效发现木星尺寸的系外行星。经过搜寻,我们在南天极附近天区找到了10颗系外行星候选体。同时,我们使用时序更长的kepler测光数据,对kepler多行星系统内的行星候选体进行了分析,分两次证认了其中16个系统的32颗行星。对kepler行星TTV研究的经验,将被应用于南极AST3项目后续获得的时序测光数据上。

天文大科学装置冷湖台址监测与先导科学研究——时域天文先导科学研究进展

时域天文近年来发展迅速,已成为天文学和相关物理研究的重大突破方向,而时域天文的发展需要高性能的时域天文观测设备,以及能发挥设备观测能力的优质天文台址。2019年6月,青海省科技厅启动了重大科技专项“天文大科学装置冷湖台址监测与先导科学研究”,专项针对青海冷湖优良的天文观测条件及未来将落户冷湖的大型天文观测设备的观测能力,利用现有的天文观测设施开展了一系列时域天文先导科学研究。研究内容包括光学时域天文的观测研究,如光学时域天文的观测策略和基于深度学习的暂现源数据处理系统搭建,并利用姚安光电阵列CHES和南极巡天望远镜AST3-Ⅲ等设备进行时域天文观测。先导研究还包括围绕大视场巡天望远镜WFST开展的一系列前期研究,如WFST暂现源观测管线系统和数据处理系统的搭建,WFST对暂现源观测的预研,利用WFST开展星系形成和演化的预研,以及中子星、黑洞、引力波等的理论预研等。

银道面附近若干天区变星搜寻

对新疆天文台南山1 m大视场天文望远镜观测的历史数据进行细致的数据挖掘,发现了百余颗变源。数据处理流水线为新疆天文台时域巡天数据处理包,该处理包同时考虑了测光系统内部权重和相关性,并结合快速混合算法编写。除去已知的变源,又发现了很多新的变源。对新变源证认的过程中,将结果与LAMOST,GCVS,VSX,Gaia DR2等星表进行交叉。在讨论部分,对各星表的使用情况给出了说明。最后发现这些新变源绝大部分是食双星,少部分是脉动变星,并有一颗表现相对复杂的变源。

Sitnikov问题的数值研究

本文通过对Sitnikov问题在不同偏心率下最大Liapunov特征指数(LcE)的数值计算,得到了与理论结果符合得相当好的混沌区域与偏心率关系.并用Poincare截面方法研究了相平面的结构.

小行星主带上单个行星的质量上限

介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况．采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化时间为1亿年．数值模拟显示能够稳定存在于小行星主带上的单个天体的质量上限其量级为10^(25)kg．模拟同时还显示在某些情况下,假想行星与木星之间的低阶共振可以增强系统的稳定性．