一顆奇怪的行星被發現,它比海王星小,但質量比海王星大50%

2021-01-09 天文在線

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太空人已經在太陽系中發現了另一個奇怪的外星球。這個外星球十分古怪，因為它的大小介於地球和海王星之間，然而它的密度卻比海王星大50%以上。

太空人之前已經在其他太陽系發現了「膨脹行星」。「膨脹行星」的密度是地球密度的幾倍，但是它的半徑卻比海王星的半徑還要大。但是這次發現的行星和「膨脹行星」剛好相反。它的密度超過了海王星，但是他也有更小的半徑。超級密度，而不是超級膨脹。

這顆奇怪的行星的發現正質疑著以往人們對行星形成的理解。天文學家和美國國家基金會NOIRLab研究了這顆行星並將結果發表在題名：宜居帶行星探測器發現一顆高質量、低傾角海王星狀行星K2-25b的論文上。該文的第一作者是Gudmundur Stefansson，是普林斯頓大學的一名博士後研究員。

這篇論文將發表在The Astronomical Journal雜誌，並可通過arxiv獲取。克卜勒計劃於2016年發現了這顆行星，它正圍繞著Hyades星團中的一顆M矮星運行，圍繞周期是3.5天。根據這篇研究，K2-25b的質量是地球的24.5倍，半徑卻只是地球的3.4倍。在研究介紹部分，作者寫道：「這些特性就猶如一個巖石的內核被一層薄薄的氫-氦包裹（質量比5%）」

K2-25b在Hyades星團中圍繞其主星運行。

這顆行星引起天文學家的興趣的原因部分是K2-25b是一顆次海王星。次海王星比海王星有更大的質量和更小的半徑，就如K2-25b；或者有相對較小的質量和較大的半徑。無論是哪一種，次海王星的存在違背了當前關於行星形成的理論。目前在系外行星研究前沿，理解這類行星的形成依然是一個難題。「K2-25b不尋常！」研究領隊-普林斯頓博士後研究員Gudmundur Stefansson在新聞稿中說，「與其他距離主星很近的年輕次海王星相比，它比相近大小、年齡的行星都密集」。「通常這些行星密度較低 —一些甚至有膨脹的氣體層。而現有的觀測數據看來，K2-25b似乎有著一個密實的巖石核心或者富水核，以及一層薄薄的氣體層。」

天文學模型表明大行星首先形成巖石核心，最初的核心質量是適中的，可能只是地球的5到10倍。之後氣體聚集在核心周圍，形成一個氣體包裹層，其質量為地球的數百倍。氣態巨行星木星就是以類似的方式形成的。

但是K2-25b行星的出現卻表明我們的理解還是不足的。K2-25b有一個巨大的大質量巖石核心，且僅有微小的氣體層。這個非同尋常的特性引出了幾個問題：他如何形成一個巨大的巖核？既然有如此高質量的核心，為什麼卻沒有形成大量的氣體層？

圖為一個原行星盤，行星從新生恆星周圍的剩餘物質中聚集形成，一個巖心首先形成然後吸引氣體形成氣體包裹層；K2-25b卻有所不同，它有一個大質量的巖心和較小的氣體層。圖片來源於：NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。但是我們卻不完全理解K2-25b以及類似的行星是如何形成的，K2-25b是研究這類行星的天然對象。「鑑於已知其年齡和明確的軌道參數」，論文作者說，「K2-25b是研究M矮行星形成和後續動力學的標準體系，使我們對其他系外類海王星的產生和遷移有進一步的了解」

考慮到它的大核心，它應該形成一個巨大的氣體包裹層。然而事實並非如此，原因有幾種可能。作者認為一種可能是巖心是通過合併形成，「如何解釋它的大質量這一點，我們推測K2-25b 可能是許多小行星內核合併的產物，從而形成了一個大質量行星。」

文章中的這幅圖描繪了K2-25b、其他系外行星以及太陽系行星的質量半徑平面圖。紅色曲線是根據已知行星形成模型中巖核和氫氦氣體層數據繪製，詳細內容請參見研究。圖來源於： Stefansson et al, 2020.這種解釋也有助於解釋行星軌道偏心率的形成，作者寫道：「如此的動態環境會使 K2-25b軌道更傾向於偏心軌道，K2-25b也可能正通過與恆星的潮汐作用遷移到更短的周期軌道上。」

像這樣的發現常常是科技進步的結果，在歐洲南方天文臺超大型望遠鏡像SPHERE（球體）這樣的儀器，為最近的許多發現負責。但在這種情況下，是值五百美元可現貨供應的傳播器使得這項科技成為可能。首席研究者Gudmundur Stefansson在他的博士論文中運用了一種方式，即使用工程化的傳播器。

圖片來源：Gudmundur Stefansson/RPC光子學

工程擴散器將來自恆星的光擴散開來，使它可覆蓋相機上更多的像素點。這樣可以更精確的測量行星經過時恆星的亮度，從而更精確的測量沿軌道運行的行星的大小以及其他參數。參與這項研究的來自NOIRLab的天文學家Jayadev Rajagopal說：「這個創新的擴散器使我們能夠更好的定義凌日的形狀，從而進一步限制行星的大小、密度和組成成分。」

K2-25b給天文學家提出了一些重要的問題。對於這些問題的答案將不得不等待，但可能不會等太久。K2-25b是James Webb太空望遠鏡後續觀測的主要候選對象。James Webb太空望遠鏡將配備可以阻擋太陽外光線的強大日冕儀，使其更容易看到在軌道運行的行星。它還會用紅外線進行觀測，這是它位於L2上的優勢。

雙子座南望遠鏡的GHOST（雙子座高解析度光學攝譜儀）也將K2-25b列於它的目標清單上。據該網站介紹，這是一個具有「在高觀測效率上廣泛同步波長覆蓋」的攝譜儀。它對於觀測類似K2-25b的行星的大氣層非常有效。

用GUOST和JWST得到的觀測結果也許不能回答K2-25b所提出的關於行星形成的全部問題。但是他們可以擴展我們對於K2-25b所知以及所不知的界限。同時，也許更多的天文學家將會提出低成本的方法來解決這些問題。

這臺攝譜儀和基特峰國家天文臺(KPNO)的WIYN0.9米的望遠鏡同時使用使得這項研究更加有效。位於新墨西哥州阿帕奇波因特天文臺(APO)的3.5米的望遠鏡也是這項研究的一部分。國家紅外光學天文研究實驗室(NOIRLab)包括雙子星天文臺，基特峰天文臺以及一些其他設施和即將到來的維拉·魯賓天文臺。

作者：EVAN GOUGH

FY：Astronomical volunteer team

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