「鬆泡泡」行星系 行星密度比綿花糖更低?

2024-12-08 05:35:00 最後更新日期:2024-12-08 11:53:35
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

 467136291天文學家對於開普勒51e行星的一些想像圖,並假設它也和三兄弟一樣,都是「綿花糖行星」。(圖片來自連結)

韋伯太空望遠鏡自投入服役後,借其強大的紅外線感測能力,不斷發現新的天體,且部分甚至挑戰了人們原有對宇宙形成的理論。而在沒那麼遠的「觀測目標」上,它也讓科學家能對原有理論作出補充,甚至提出挑戰。雖然發現新行星並非它主要任務,但在紀錄光度微細變化及紅外波段探測能力的優勢上,它也有突出貢獻,例如多次以紅外光成像手段,發現新系外行星甚至原行星,而這次他們又發現另一顆新系外行星,且還是非常罕見的一類。

467136291A利用凌日法測定系外行星是否存在及初步計算其基本數據的方法。圖例是開普勒51b的陰影移動至恒星表明的光度變化圖,光度變化時間(尤其光度變暗和重亮那兩段)足可計算可能的距母星距離、行星基本直徑和行星軌道與地球的傾角等。(圖片來自連結)

 

開普勒51是此前開普勒太空望遠鏡發現的一顆距離地球2600光年的類太陽恒星,質量只有地球96%,年齡大約5億年左右,比較年輕,大約相當於40億年前的太陽。在2800光年外開普勒51只有15星等,過去似乎沒有觀測紀錄甚至沒有登記入任何星表中。天文學家這十年間分析開普勒51的凌日光變數據時,陸續發現該星應該有三顆很特殊的行星圍繞,且距離母星都不超過金星軌道直徑。

開普勒51各行星與太陽系眾行星的大小比較。暫時還未肯定該行星系有沒有類地行星存在。開普勒51各行星與太陽系眾行星的大小比較。暫時還未肯定該行星系有沒有類地行星存在。此圖大約繪製於2019年,後來51d的大小有向下修訂。(圖片來自連結)

 

2021年開始,有團隊利用韋伯望遠鏡多次持續觀測的數據加進原有資料,除進一步確定詳細的變光周期及量度準確質量外,他們還在變光周期內發現混在其中的微細波動,經過計算及分析微細的光譜特性改變,他們認為應該還有第四顆行星存在,且距離母星大約相當於金星軌道(這點還需進一步觀測)。他們日前已將觀測論文正式發表。當然,這不是今次發現的最大特色,而是進一步確認了過去提出過的一種新類型行星假說-一種極為「蓬鬆」的超低密度氣態行星。

 Kepler 51 p現時稍為接近開普勒51各個行星的分類,應該是最近才提出的熱土星假說(相當於熱木星但整體密度更低)。不過開普勒51四星都距離母星有相當距離且熱訊號低得多,而且密度低至少一半/膨張更為厲害,除非現時數據有誤,否則很難簡單解釋成因。(圖片來自連結)

 

天文學家經過大小(由星蝕變暗或變光這兩節時間的長度判斷)和質量判斷,關於開普勒51的「鬆泡泡」行星都有6至9倍地球半徑大小,但質量也只有地球4-6倍,結果密度似乎只有0.06至0.14克 / 立方厘米,平均密度竟然和金星地表空氣密度相約—要知道就算是密度最低的太陽系行星土星都接近0.7克 / 立方厘米。這平均密度可能連棉花都沒有,所以天文學家有時會戲稱這些東西是棉花糖星。事實上,天文學家亦估計第四個行星也是同樣情況,可以想像,這樣的行星似乎是擁有大量氣體但只有一個相對小得多的岩質核心。

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,在太陽正式發光發熱早期就把輕物質的塵埃盤往外推至現在火木之間軌道,而內行星帶會孕育出30-100個月球至火星大小的原行星,一大輪撞擊後大量原行星飛走,爾後餘下的又變回大量碎屑和塵埃並展開第二次吸積,並形成穩定的類地行星。然而這模型似乎不能用在開普勒51身上,尤其是四個較大型的氣態行星擠在內行星軌道上,更讓天文學家無法解釋。(圖片來自連結)

 

天文學家對此有好幾種解釋,但似乎也未能代入開普勒51行星系的情況:1. 首先,在行星系極早期氣態行星收縮過程中可能有一段很短時間會出現這種情況,不過開普勒51早就不在這個階段,原塵埃盤早就消失了,而且沒理由4個不同質量的行星都在同一個持續時間「很短」的階段;2. 情況類似熱木星,和恒星極面極接近,高熱令大氣層極度膨漲,不過過去發現的熱木星都沒有密度低到這個程度,已知密度最低的熱木星TrES-4b也比它們大兩倍以上,且開普勒51的行星也不能定義為熱木星,因為距母星表面最少比一般熱木星遠10至25倍,且也未熱到韋伯能直接觀察到其熱訊號的情況。

stsci 01gwwhv085zbhpe46ysg20p667韋伯望遠鏡以兩個紅外光波段拍攝的北落師門塵埈盤圖合併而成的圖像。可見三個盤 / 環,環縫中間似乎有大型氣態行星形成中。北落師門和開普勒51星齡相近,前者看出輕物質塵埃盤向外推的現象。不過開普勒51沒收到任何塵埃盤的觀測報告,而且氣態行星就直接在內行星軌道上出現。這點也不可能用外行星內移說解釋,因為不可能同時有四顆內移且互不影響軌道穩定性。(圖片來自NASA)

 

事實上天文學家現在都答不出為何這四個行星都保留著巨大的氣體大氣層,而且還挺得過開普勒51形成後兩、三億年產生的激烈恒星風(因為其開始發生聚變反應時,應該把附近氫、氦份子雲都吹跑,只留下重元素在附近軌道),而且就算挺得過,除非有超強磁場,否則恒星風照樣能扯掉外層的大氣(留意他們大小都不會小土星多少,51d更幾乎一樣),就算行星早在恒星開始聚變反應前就存在,其大氣層似乎都不可能保留到現在的規模。總之,這種超低質量又不是和母恒星「面貼面」的巨大氣體行星,在天文觀測史上相當罕見,也未有一套理論可完美解釋,暫時只能算作一個「未解之謎」吧。

發佈於 科學新知
By 2024-12-08

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