金星作为系外行星类比体：利用SDO多波段观测揭示紫外凌星特征与日冕掩食现象

《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：Venus as an exoplanet analog: extended UV transit signatures and coronal occultations

本文推荐天文学家利用太阳动力学天文台（SDO）的五波段观测数据（6173 ?连续谱、1700 ?宽带紫外、304/171/94 ?极紫外），分析2012年金星凌日作为系外行星类比体的光学与紫外信号差异。研究发现可见光波段（6173 ?）可清晰检测到 Transit depth≈1100 ppm的凌星信号，而1700 ?紫外波段凌星持续时间延长约40%（9.2小时vs 6.7小时），揭示金星在接触可见日面前已开始掩食延伸的日冕结构。该研究为利用紫外凌星探测恒星大气空间扩展提供新思路，对系外行星表征研究具有重要方法论意义。

　　

当我们将目光投向浩瀚宇宙中围绕其他恒星运行的行星时，天文学家发展出多种探测方法，其中凌星法因其高效性成为发现系外行星的主力手段。该方法通过监测恒星亮度的周期性微弱下降来推断行星的存在。然而，恒星本身并非均匀发光体，其活动现象（如黑子、耀斑）会引入观测噪声，尤其在短波波段（紫外和极紫外），恒星亮度变化剧烈，使得凌星信号提取充满挑战。2012年发生的金星凌日事件，为在太阳系内检验凌星法在不同波段的适用性提供了宝贵机会。金星作为一颗大小与地球相近、且被深入研究的行星，是检验系外行星探测与表征技术的理想“实验样品”。这项研究旨在利用太阳动力学天文台（SDO）的多波段观测数据，分析金星凌日在不同波长（特别是紫外和极紫外波段）下的表现，探讨恒星活动对凌星探测的影响，并评估利用紫外凌星研究恒星大气延伸结构的潜力。相关研究成果发表在《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》上。

研究人员主要利用了SDO卫星上搭载的日震与磁像仪（HMI）和大气成像组件（AIA）的观测数据。他们选取了2012年6月4日至7日共4天的数据，覆盖了金星凌日事件前后。分析涉及五个波段：HMI的6173 ?（连续谱，代表可见光）以及AIA的1700 ?（紫外）、304 ?、171 ?和94 ?（后三者为极紫外/EUV）。关键技术步骤包括：对原始图像进行预处理（如AIA Level 1.0到Level 1.5的校正，包括指向、衰减校正和配准）；构建全日面积分光变曲线，即对每个时间点的全日面图像像素值进行积分，得到随时间变化的恒星总亮度；使用多项式拟合等方法对光变曲线进行去趋势处理，以消除仪器系统误差（如24小时周期的轨道效应和缓慢漂移）；最后使用batman软件包拟合凌星模型，提取凌星参数（如凌星深度、持续时间）。此外，研究还进行了数值模拟，将不同大小的行星（金星、海王星、木星大小）作为掩星体，模拟其在太阳活动极大期、中间期和极小时期不同波段下的理论凌星光变曲线，以研究恒星表面亮度不均匀性和活动性对凌星信号的影响。

4 RESULTS& DISCUSSIONS

可见光波段（6173 ?）的凌星光变曲线在经过仔细的数据处理后，显示出一个清晰的凌星信号，凌星深度δ ≈ 0.0011（1100 ppm），信噪比高达20.7σ，对应的金星视半径约为30角秒。凌星持续时间约为6小时40分钟，与预期一致。相比之下，1700 ?紫外波段的凌星信号虽然噪声更大，但其表现出的凌星持续时间显著延长，达到约9小时15分钟，比可见光波段长了近40%。这是因为金星在进入可见日面（Contact I）之前和离开之后（Contact IV），在SDO/AIA的视场中已经开始（和仍在）掩食太阳日冕的延伸紫外辐射区域。而在三个极紫外波段（304 ?, 171 ?, 94 ?），由于太阳活动（如耀斑）引起的光变过于剧烈，无法可靠地提取出凌星信号。

4.1 ToV as an exoplanet analog

将此次金星凌日视为一个系外行星系统的凌星事件时，其观测到的凌星深度（~1100 ppm）远大于从遥远距离观测一个金星凌日太阳时理论上预期的~78 ppm。这是因为观测者（地球）距离太阳系内行星较近，行星的视面积相对较大。研究表明，需要从超过100天文单位（AU）的遥远 vantage point 观测，太阳系内的凌星事件才能真实模拟系外行星的凌星特征。这凸显了利用太阳系内天体检验系外行星探测技术的局限性，同时也指出了未来外太阳系探测器可能带来的独特机遇。

4.2 Light curve from AIA UV channel

对1700 ?紫外波段光变曲线的详细分析证实了凌星持续时间的延长。凌星开始于金星进入AIA视场（t_in），结束于离开视场（t_out），而不仅仅是接触可见日面（t₁到 t₂）的时间。拟合得到的凌星深度δ ≈ 0.0012，但由于紫外波段的高变异性（特别是期间发生的几次C级耀斑的影响），该信号的信噪比较低（约2.5σ）。

5 TRANSIT SIMULATIONS ACROSS THE SUN

数值模拟结果清晰地展示了恒星活动水平对凌星光变曲线的显著影响。在可见光波段（6173 ?），凌星光变曲线相对平滑，呈现预期的临边昏暗（limb darkening）形态。而在紫外和极紫外波段，光变曲线变得非常不规则，其形状强烈依赖于凌星路径上是否掩食了亮斑（plage）、活动区等不均匀结构。对于金星大小的小行星，其光变曲线受局部亮度不均匀性影响更大，显得更“锯齿状”；而对于海王星或木星大小的较大行星，其光变曲线相对平滑，但仍会系统性偏离理想的凌星模型。特别值得注意的是，在太阳活动极小期（宁静期），极紫外波段表现出明显的临边增亮（limb brightening）现象，导致凌星过程中产生独特的“W形”光变特征。模拟表明，对于高活动性的恒星，即使在极紫外波段探测木星大小的行星凌星也十分困难；而在恒星宁静期，探测海王星大小或更大的行星凌星，尤其是利用其临边增亮特征，是可能实现的。

本研究通过分析2012年金星凌日的多波段观测数据，揭示了紫外和极紫外波段凌星探测的独特性质与挑战。核心结论指出，可见光波段能提供清晰可靠的行星凌星信号，而紫外波段（1700 ?）的凌星持续时间延长直接证明了行星可以掩食恒星光学光球层之外的色球和日冕物质，这为利用凌星法研究恒星大气的空间延伸提供了观测依据。然而，极紫外波段由于受恒星活动引起的强烈光度变化干扰，在当前技术下难以用于可靠凌星探测，至少在类太阳恒星活动峰年如此。数值模拟进一步强调，凌星信号的探测和解释高度依赖于恒星的活动水平、观测波段以及行星的大小。在恒星宁静期，极紫外波段的临边增亮效应可能为探测巨行星提供独特的特征。这些发现对未来的系外行星探测任务具有重要指导意义，建议未来的空间望远镜（如HST、ULTRASAT等）应包含紫外观测能力，以充分利用紫外凌星在表征恒星和行星大气方面的潜力。同时，也需要进一步发展模型，以更好地理解和修正恒星变异性对凌星信号的影响。