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海王星大小的系外卫星绕木星大小的行星运行?

2020/7/12 2:06:30 来源:原创 浏览:

在我们的太阳系之外寻找行星是一项艰巨的工作,但对于那些已被人们发现确认的系外行星,确定这些行星是否拥有自己的卫星,或称为“系外行星”,是一项更具挑战性的任务。此外,就如研究系外行星本身,对系外行星的研究也提供了一些极好的机会,让人们可以进一步了解我们的宇宙。

在所有可能的行星候选者中,最新(按理也是最有可能)的候选人是人们在2017年7月发现的。这颗被称为开普勒-1625 b-i的卫星绕着距地球约4000光年的一颗巨大气态行星运转。但根据一项新的研究,这颗系外行星实际上本身有可能就是一颗海王星大小的气态巨星。果真如此,那它将成为气态巨星绕另一气态巨星运转的第一个实例。

这项名为“巨大系外行星候选者开普勒-1625 b-i的特性”的研究发表在科学杂志《天文学和天体物理学》上。进行这项研究的是马克斯·普朗克太阳系研究所的天体物理学家勒尼海勒,他通过测量开普勒项目得到的光变曲线来划定系外行星的质量并确定其真正的特性。

艺术家对于可居住的系外行星围绕着气态巨星运转的构想。图片来源:美国国家航空航天局

在太阳系内,我们往往通过卫星得知有关其主星的形成和演化的许多信息。同理,对系外行星的研究可以增进我们对太阳系外行星系统的了解。正如海勒博士通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样,这些研究还可以揭示这些系统内是否具有宜居行星:

事实证明,对于研究太阳系中行星的形成和演化时,卫星往往非常有用。例如,地球的卫星月球,是建立初始天体物理学条件的关键,如地球的总质量和地球的原始自旋状态,后来才衍生出我们宜居的环境。另一个例子中,木星周围的伽利略卫星已被用来研究木星周围原始吸积盘的状况,该行星在45亿年前从中吸出了质量。这个吸积盘已经很久以前就消失了,但是在吸积盘中形成的卫星仍然存在。因此,我们可以利用这些卫星,尤其是卫星的现在的组分和湿度,来研究过去的行星形成过程。”

对于开普勒1625恒星系统,先前的研究根据开普勒1625 b在其恒星前的三次投射光谱观测,估测了它和其卫星的半径。三次观测得到的透射光变曲线表明开普勒1625有一个海王星大小的系外卫星围绕它运行,其距离约为行星半径的20倍。

但是正如海勒博士在他的研究中所指出的那样,研究并未考虑对主恒星(Kepler-1625)的径向速度测量,这一测量能够估测两个天体的质量。为了解决这个问题,针对现有表征观测得到的行星和卫星的尺寸数据,海勒博士考虑了各种质量分布形式。除此以外,他还尝试将其置于太阳系中来考察。

艺术家想象中的系外行星绕着气态巨星(左)和一个海王星大小的系外行星(右)。图片来源:美国国家航空航天局 / 美国喷气推进实验室-加州理工学院

海勒博士的第一步是,根据开普勒观测到的透射光谱显示的特性,估算系外卫星候选者及其主星的质量。

他说:“对数据进行动力学分析表明,主行星是一个大约木星大小(半径意义上的“大小”)的褐矮星,其质量接近18个木星质量。然而,这一结果的不确定性,主要来自开普勒数据包含的噪声干扰,和投射数据的稀有(只有三组)。实际上,主星可能是类似木星的行星,甚至可能是质量为37个木星质量的中等大小的褐矮星。候选卫星的质量大致介于数个地球质量和海王星的质量之间。”

随后海勒博士比较了候补系外卫星和开普勒1625b的相对质量,并将该值与太阳系的各种行星和卫星进行了比较。这一步骤是必要的,因为根据行星的质量与卫星和行星的质量比进行区分,太阳系的卫星分为两种类型。这些比较表明,月球的质量与其形成方式密切相关。

例如,通过撞击形成的卫星(例如月球和冥卫一)相对较重,而由行星的吸积盘形成的卫星则相对较轻。木星的卫星木卫三是太阳系中最大的卫星,但与木星本身(太阳系中体积最大,质量最大的卫星)相比,它却小到微不足道。

艺术家假想的从围绕三星系统运行的系外行星周围的卫星上看到的景象。图片来源:美国国家航空航天局

海勒博士获得的结果是相当有趣的。首先,他们指出开普勒1625 b-i不能归类于这两个家族中(重型,撞击型卫星与轻型,增生型卫星)。海勒博士如下解释:

“ [T]]最可能的情况是,候补卫星更重,这表明它应该是通过撞击形成的。但是,这颗系外卫星很可能是气态的。太阳系的卫星都是由岩石或冰组成,没有明显的气体包裹层(土卫六的大气层很厚,但质量可以忽略不计)。那么,这一巨大的气体卫星是如何通过撞击形成?我不知道,我想其他学者也未必清楚。

“或者,在第三种情况下,开普勒1625 b-i可能是通过俘获形成的,这种可能性很低,这意味着原先行星处于双星系统,它被拉入开普勒1625 b的环绕轨道,而它先前的伴星被从系统中弹出。”

Keple-1625 b的质量估测同样有趣,海勒博士平均的估计结果为19个木星质量,但最大可能高达112个木星质量。这意味着主行星可以是多种类型的星体,从比土星稍大的气态巨星到棕矮星甚至甚低质量恒星。因此,与其说气体巨星绕着气体巨星运行,不如说在绕着一个小恒星,同时一起绕着一个大恒星运行的系统!

艺术家对T型褐矮星的构想。图片来源:Tyrogthekreeper / Wikimedia Commons。

这简直就是科幻小说!尽管这项研究无法严格限定Keplder-1625b及其可能的卫星的确切的质量,但其重要性不言而喻。除了为天体物理学家提供第一个可能的巨大气态卫星实例外,这项研究对系外​​行星系统的研究意义重大。若当开普勒1625 b-i被确认时,它将告诉我们很多有关其主星形成条件的信息。

同时,我们需要进行更多观察以确认该卫星是否存在。幸运的是,不久的将来我们便能进行大量观测。开普勒1625b下次穿越恒星的时间是2017年10月29日,哈勃太空望远镜将在这一时刻进行探测,根据观察到的来自恒星的光变曲线,科学家应该能够更好地了解这个神秘的卫星是否存在,一窥其外形如何!

海勒博士说:“如果根据观测数据这一卫星并不存在,那么这项研究的结果将不适用于开普勒1625系统。” “不过,论文将提供一个示例,指导以后如何对系外卫星进行分类以及如何将其放入太阳系的环境中进行研究。如果开普勒1625 b-i被证明是确实存在的系外卫星,那么我的研究就发现了一种新型的卫星,其形成历史与我们已知的卫星截然不同,这一精巧的谜团等待着天体物理学家去解决。”

对系外行星系统的研究,就像在处于灭灯的黑暗房间内剥洋葱一样。随着科学家们的不断取得新进展,他们随之会发现了更多的谜团。随着下一代望远镜的开发,我们一定能够了解更多宇宙的奥秘!

作者: universetoday

FY: 王利发

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