一個軌道數星共享? 天文學家首次發現共軌行星

2023-07-22 00:53:54 最後更新日期:2023-07-22 11:46:39
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

383B以最大限度反映PDS 70原行星盤形成中的行星及塵埃聚合的無線段影像。這些影像通常會由多個無線電頻道組成,以反映不同大小的塵落或不同行星盤物質。靠行星系中心地區的團塊,就是PDS 70b行星及較小的、疑似在其L5軌道上吸積中的共軌行星;下面較接近外側盤的則是PDS 70C。當然,外側塵埃盤中也有些明顯凸起,暫時都不知是什麼,(圖片來自連結)

 

過去很多科幻片中的外星世界,多有各類異想天開的行星組成,例如在公轉軌道互相對轉的雙星,或者同一條公轉軌道上容納兩個甚至以上的天骿等。這類科幻情節不是沒有發生,太陽系內就有了,不過涉及的不是只有十多公里左右的衛星,或者質量相差仍很懸殊(如冥王星和只有1/8質量的冥衛一)。然而,天文學家現在找到個似乎在同一軌道上有兩個行星的行星系統。

383CPBS 70c本身就已是近年行星天文學的焦點了,因為其吸積盤的無線電波圖顯示它如何由大型塵埃帶吸走物質,且在吸積盤中似乎至少有兩個團塊形成中,很可能就是該行星的「初生」衛星了。這也充分地顯示了行星的最初形成階段之特性。是很好的研究參考對象。(圖片來自ESO,連結1連結2)

 

PDS 70是人馬座方向距地球370光年左右的一個準恒星,質量大約0.78太陽質量,似乎仍在在進一步收縮,可能再過數千萬年才能正式產生核聚變,成為正式的K型橙矮星。由於這恒星的自轉軸斜對著地球超過45度,其塵埃盤(原行星盤)也以大約相同的角度斜對著我們,加上距離較近,除了光度不足外,觀測效果其實可以很優秀,故這恒星一直是不少紅外與射電望遠鏡的觀測目標。近年的觀測,除了直接發現兩個大型原行星、對塵埃盤的吸積流外,還發現了可能正在形成的「原衛星盤」,研究成果可說非常豐碩。

383D拉格朗日點是一個星體繞另一大星體公轉時,軌道上會有六個點可以維持穩定軌道,其中L4及L5點的軌道最穩定兼可長期存在,故行星最有可能「共軌」,基本上另外兩顆就要集中在L4及L5點。現實中除土星的衛星群有類似現象外,還有木星上的L4及L5拉格朗日點,仍存在大批小行星,被稱為特洛依衛星群。不過到現在為止,這現象仍未在行星級別上被發現……(網絡圖片)

 

一組西班牙天文學家在《天文與天體物理》7月號期刊上發表論文,他們利用位於智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列再探測PDS 70行星系統,他們利用另一波段及提高對比度,發現在PDS 70b行星的L4拉格朗日點位置也有一行星形成中,其質量粗略估算可能有2倍月球那麼大。若屬實,這似乎是包括太陽系在內第一次觀測到行星級別特洛伊天體(即兩個天體可穩定存在於軌道上的拉格郎日點)的現象。不過由於該系統公轉周期也太長,PDS 70b的公轉周期達123年,若由地球觀測,至少需要5年時間,才可確認兩顆行星是否在同一個公轉軌道上。

383E阿卡塔瑪的研究人員將PDS 70的塵埃盤不同電波訊號置入電腦進行計算,左圖為電波圖,右圖為加上高熱氫氣氣團流動情況的圖。現時這兩組四個位置,其實代表PDS 70b (紅色正方) 及 其可疑衛星(紅色圓形)的大概位置。藍色則是其次毫米塵埃反應最集中的地區。(圖片來自Tentative co-orbital submillimeter emission within the Lagrangian
region L5 of the protoplanet PDS 70 b) 

 

icy asteroid 1280x720根據最新的行星系早期演化論,如太陽系這樣金屬含量較豐富的行星系,最早期可以孕育出30-100個月球至火星大小的原行星,但因為各星間隔太小,在時間相對短又相當激烈的撞擊後,又變回大量碎屑和塵埃(當然,總質量比第一次少不少),然後又展開第二次吸積,並形成穩定的類地行星。(圖片來自連結)

 

進一步印證及地月系統早期演化假說?

近年行星系形成假說指出,在一些金屬塵埃豐富的原行星盤中,早期孕育的、靠近恒星的類地行星數量很多,軌道靠得很近、相互重疊甚至共同軌道都有,最後這些早期行星絕大部分都可能毀於撞擊,或者因引力混亂而減速跌進恒星中 / 加速逃離行星系,成為流浪行星,殘餘的物質再度聚合,才會出現具穩定軌道的行星。

large map darklines1200單就現時理論而言,現時的類地行星應該是第一代大量的類地行星都給撞碎 / 撞飛後,餘下物質重新吸積而成,不過水、金、地、火四行星還是有些特別的地方,例如火星北極的低地有可能是重新形成後又被軌道接近的較小型天體慢速撞擊後形成;水星地心偏大、金星自轉反轉等,都可能和重新形成後又被同軌道大型天體再次撞擊有關。(圖片來自Universe Today)

 

當中,地球在這段時間同樣有一個兄弟:根據地月系統的特殊性,以及月球表土相當大地區的成份和地球相同,天文學家猜測地球形成時,同一軌道上的L4點也存在著一個叫忒伊亞、如同火星大小的行星,後來由於周圍原行星軌道實在太混亂,忒伊亞的公轉變得不穩定並開始靠向地球,結果以一個較慢的相對速度和地球撞在一起並融合起來,原本地球較大的一堆碎片被撞到軌道上並繞地球公轉,在很短時間內這些地球碎片重新聚合成今日的月球。這事實上是月球大撞擊說的由來。不過過去幾乎沒有發現過行星級別的東西在同一軌道上形成 / 共用同一軌道,所以可信度也受一定影響;不過今次的觀測結果,似乎間接為地月系統形成和早期行星形成的理論,提供新的間接證據。

28ddafb01cbc439691cf3600f24590c345億年前有火星差不多大小的原行星忒伊亞(Theia)和剛形成的地球相撞並被毀,地球雖未被撞毀,但大量碎片給撞出來並拋到地球軌道附近,碎片在相當短的時間內(100年內)重新凝結形成月球。這就是現今科學家所謂「大撞擊假說」(Giant impact hypothesis)。有趣的是,提出假說的天文學家認為忒伊亞是在地球拉格朗日點L5位置形成,再因受到其他類地行星或木星的引力干擾而移向地球方向。(圖片來自NASA)

 

能否穩定存在?

不過比較有趣的是,過去一直認為行星級別的特洛伊天體,因為更易受到其他行星級天體的引力影響而改變軌道,甚至會和其他同軌行星相撞,不過這是在長期引力攝動下所造成的軌道不穩定所致。不過這個行星級天體卻是形成在距離恒星22天文單位以上,相當於土星與天王星之間,周圍似乎也沒有什麼大星體存在,除了最近距離都有8天文單位的大行星PDS 70c外,似乎還真沒有什麼東西可干擾它。這使得這個行星似乎有更高的長期穩定存在的機會。題外話,如果發現更多且證明能長期存在的話,2006年才建立的行星其中一個重要概念—「能掃清軌道周邊的其他物體,霸佔單一軌道」又要被重新改寫了......

發佈於 科學新知
By 2023-07-22

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