天文學家:總算明白為何熱木星如此巨大了

有關太陽系外行星的研究,揭開了一些不可思議

又引人入勝之事的神秘面紗。例如,目前發現的、數以千計的行星中,有許多在體積上遠超過它們在太陽系的“巨型同類”。舉個例子, 大部分氣態巨行星(即“熱木星”)曾被觀察到緊緊地圍繞它們的恆星運動,這些氣態巨行星在質量上和木星或土星類似,但在體積上卻也明顯更大。

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木星外觀

自從十年前,天文學家首次對一顆系外氣態巨行星的大小進行限制以來,有關這些行星為何如此巨大的迷霧便從未消散。幸虧,在K2-132和K2-97兩個行星系統中發現的雙胞胎行星----由夏威夷大學天文研究所的一支團隊利用開普勒任務中的數據所得----使科學家相信,我們正在逐步接近答案。

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圖解: 藝術家想像下的一顆熱木星-因自身的熱而發出紅光。

這一發現的研究----“在K2上發現兩顆行星:對紅巨星支不同恆星周圍兩顆極其相似的行星做重複暴脹測試”----出現在《天體物理學雜誌》上。該研究隊伍由夏威夷大學研究生塞繆爾·K·古朗布拉特(Samuel K. Grunblatt)帶頭,團隊成員則來自悉尼天文研究所(SIfA)、加州理工學院(Caltech)、哈佛-史密森天體物理中心(CfA)、美國國家航空和航天局(NASA)戈達德太空飛行中心、地外文明探索(SETI)研究院等多所大學和研究機構。

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圖解:設計概念圖展示了太陽系外類木行星(即一顆“熱木星”)的公轉軌道相對靠近它的恆星。 圖源:美國宇航局/噴氣推進實驗室-加州理工學院

由於這些行星的“火熱”天性,它們非同尋常的體積被認為與進進出出它們的大氣層的熱流相關。所以出現了一些理論來解釋這個過程,但還未有測試這些理論的方法。正如古朗布拉特解釋的那樣,“因為我們沒有幾百萬年的時間來見證某一特定的行星系統是如何逐步演化的,證明或推翻行星暴脹理論一向都並不簡單。”

為了解決這個問題,古朗布拉特和他的同事們搜尋從美國宇航局的開普勒任務(特別是其中的K2任務)收集到的數據,以期找到圍繞紅巨星運動的“熱木星”。這些恆星已經退出它們的主序壽命,並進入紅巨星支(RGB)階段,其特徵是大規模體積暴脹和表面的溫度下降。

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圖解:太陽系外熱木星群圖

因此,紅巨星可能會吞噬近距離圍繞它們運轉的行星,而曾經離得遠的行星則開始在它們附近公轉。根據艾瑞克·洛普茲(Eric Lopez) ---- 一位美國國家航空和航天局戈達德科學與探索理事會的成員 ---- 提出的一條理論,如果寄主星直接輸出的能量主導了行星暴脹的過程,那麼圍繞紅巨星公轉的熱木星應當會膨脹。

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圖解:比較當前作為主序星的太陽和將來成為紅巨星的太陽。

他們搜尋到了兩顆行星 ---- K2-132b和K2-97b ---- 它們在軌道週期(9天)、半徑和質量上幾乎一致。根據他們的觀測結果,這支隊伍得以精確地計算出兩顆行星的半徑並判定它們比木星大30%。夏威夷莫納克亞山的W.M.凱克天文臺的後續觀測,也顯示出這兩顆行星的質量只有木星的一半。

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圖解:一顆類太陽恆星的生命週期:從原恆星(左側)變為紅巨星(近右側)最後成為白矮星(最右)。 圖源:歐洲南半球天文研究組織 /M·科恩梅瑟爾

該研究隊伍隨後利用模型來追蹤行星與其恆星隨著時間的演化過程,這能讓他們計算出行星從它們的恆星那裡吸收了多少熱量。當熱量從行星的外層轉移到內部深處時,這些行星便會增大體積,減小密度。該隊伍的研究結果表明,儘管行星很可能需要增加輻射來暴脹,但它們得到的輻射量低於預期。

雖然古朗布拉特及其團隊的研究,在範圍上是有限的,但卻符合理論:龐大的氣態巨行星受到其寄主星的熱量而暴脹。其他的支持性證據暗示,一顆氣態巨行星只需要恆星輻射便能顯著改變其體積與密度。該意義十分重大,鑑於我們的太陽會在未來某天退出它的主序,這將劇烈地影響我們的行星系統。

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圖解:哈勃於1997年拍攝的紅巨星蒭藁增二。

正因為如此,研究遠方的紅巨星並瞭解它們的行星當下所發生的事情,能夠幫助天文學家預測我們的太陽系未來將經歷什麼,即便是在幾十億年之後。正如古朗布拉特在天文研究所的一份新聞聲明中所做出的解釋:

“研究恆星演化如何影響行星,是一個新的前沿領域,不論是其他的太陽系還是我們自己的。通過更好地瞭解行星如何應對這些變化,我們便可以開始確定太陽演化是怎麼對地球上的大氣、海洋和生命產生影響了。”

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圖解:太陽、木星、地球體積對比

人們希望,未來專注於紅巨星周圍的氣態巨行星的課題調研,能有助於解決相悖的行星膨脹理論之間的爭議。古朗布拉特和他的團隊,因為他們做所的努力,得到了使用美國國家航空和航天局斯皮策太空望遠鏡一段時間的獎勵,他們打算用它進一步觀測K2-132和K2-97兩個行星系統,和它們各自的氣態巨行星。

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圖解:K2-132b行星與其恆星的位置關係。

相關知識

紅巨星是巨星的一種,是恆星的一種演化階段,質量約為0.5至8個太陽質量,質量不同,壽命不同,大概數百萬年。

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圖解:紅巨星和太陽的比較

質量更大的稱為紅超巨星,再大的為紅特超巨星。

熱木星,亦稱為烤爐行星、恆星側木星和飛馬星,是一種系外氣體巨行星。它們的質量接近或超過木星(1.9 × 10^27 kg),但與太陽系中的情況不同:木星的軌道半徑是5天文單位,成為熱木星的行星軌道與母恆星距離在0.5至0.015天文單位以內,大約只是太陽系內水星到太陽距離的八分之一至金星到太陽距離。

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3. 教初中英語的Hannah - universetoday

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