科學家發現完美共振的系外行星,其中暗藏天體形成的祕密

對於現在的天文學家來說,發現一顆擁有系外行星的恆星已經不是什麼驚天動地的大事了,即使是擁有多顆系外行星也不算什麼奇聞,畢竟我們已經找到了幾百顆不止擁有一顆行星的恆星。

科學家發現完美共振的系外行星,其中暗藏天體形成的秘密

但是,在88光年以外的一顆恆星,還是能夠引起天文學家的注意。因為,它的6顆系外行星所構成的系統,實在是令人驚歎。

這顆恆星的名稱是HD 158259,是一顆和太陽非常類似的恆星。它的半徑是太陽的1.21倍,質量也只有太陽的1.08倍,非常接近。它和太陽還有一點非常類似,那就是擁有一個比較龐大的恆星系統。截至目前,天文學家已經在它周圍發現了6顆系外行星。其中,除了HD 158259 b是一顆質量為地球2.22倍的超級地球以外,其餘5顆都是質量在地球5倍左右的迷你海王星。

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(HD 158259 b假想圖)

HD 158259是由法國的上普羅旺斯天文臺觀測發現的,在發現它以後,那裡的天文學家隨即對這些行星進行跟蹤觀測。經過大約7年的觀測,天文學家發現:這六顆行星已經形成了完美的軌道共振,成為了宇宙中最完美的恆星系統佈局。

所謂的軌道共振,廣義上指的是宇宙天體中出現的所有共振現象的泛稱,從狹義上來講,就是兩顆或者兩顆以上的天體在引力作用下形成的共振現象。

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軌道共振在太陽系已經非常普遍了,比如海王星和冥王星,它們就處於軌道共振的狀態,二者的公轉週期成完美的2:3的比例(海王星60327.624天,約合164.8年;冥王星90581天,約合248年197天)。又比如木星系內的木衛一,木衛二和木衛三,三者的公轉週期也呈現出1:2:4的潮汐鎖定關係。

在太陽系外,我們也發現過軌道共振現象,如KOI-730d、b、c和e出現3:4:6:8的共振、開普勒37d、c和b出現誤差在1%內的5:8:15的共振。不過,像HD 158259這樣6顆行星全都處於軌道共振的情況,還是第一次發現。

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得到這個觀測結果的,是上普羅旺斯天文臺1.93米反射式望遠鏡上的蘇菲光譜儀(SOPHIE échelle spectrograph)。這是一臺利用星震學和徑向速度法觀測系外行星的儀器,於2006年10月時建成。正是利用了蘇菲光譜儀,天文學家們掌握了關於這個恆星系統的大量信息。

蘇菲光譜儀顯示:HD 158259系統的行星非常緊湊,6個成員緊密地分佈在一個非常小的範圍內。最內側的超級地球HD 158259 b,公轉週期僅有2.17天。其他行星依次向外,公轉週期也僅有3.4天、3.4天、5.2天、7.9天、12天和17.4天——即使是最外層的一顆,公轉週期也只有太陽系內最短的水星公轉週期的1/5(其中有一對行星共軌道,所以軌道週期相同)。

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(HD 158259 d假想圖)

如果你仔細計算一下就會發現,它們之間的公轉週期遵循著非常接近的比例,每一顆行星的公轉週期和它軌道內側的那一顆之間的比例依次是:1.57、1.51、1.51、1.53、1.51和1.44。也就是說,這個比例非常接近於3:2。基本可以確定,它們就是處於一個完美的軌道共振關係中。

取6顆行星的最小公倍數,大約是296。這意味著,在HD 158259系統中,六顆行星排成一條直線的“六星連珠”現象平均不到10個月就會上演一次,比太陽系頻繁得多。

當然,天文學家研究系外行星的六星連珠現象也沒什麼意思,畢竟它們表面都不可能允許人類活著站上去,也不太可能孕育它們自己的生命,所以誰也看不到這種天象。但是,這種近乎完美的軌道共振現象仍然有著重要的意義。

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(上普羅旺斯天文臺)

日內瓦大學的天文學家Stephane Udry介紹說:目前人類已經發現過類似於HD 158259這樣的緊湊系統,比如TRAPPIST-1或開普勒-80。我們認為,這樣的恆星系統中,行星都不是一出生就處在現在的位置上的,畢竟行星都是獨自形成的,又不是被誰刻意安放在那裡的,怎麼可能這麼巧合。因此,它們更有可能形成於比現在遠得多的位置上,然後在演化的過程中逐漸向內遷移。“在這個過程中,共振起到了重要的作用。”

同樣來自於日內瓦大學的天文學家Nathan Hara是本次研究團隊的負責人,並且以第一作者的身份把這項發現的論文發表在《天文學與天體物理學》雜誌上。他指出:“目前的發現和3:2的完美週期有些偏離,這裡隱含著大量的信息。我們一手掌握著該恆星系統的數據,另一手掌握著潮汐效應模型,就可以深入研究行星在結構內部所受的約束。總之,它給我們提供了一個絕佳的研究窗口。”

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同時,我們的太陽系目前還只有海王星和冥王星等少數天體被發現有這樣的軌道共振。這種現象到底是特例還是趨勢,目前還不得而知。太陽系有沒有經歷過這樣的階段,或者未來是否會進入這樣的階段呢?那一切就要看看科學家是否能夠挖掘出軌道共振以及天體形成的深層機制了。



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