一顆特殊的系外行星挑戰行星形成理論

2021-01-08 科技領航人

美國國家科學基金會（NSF）的NOIRLab設施進行的新的詳細觀測顯示，一顆年輕的系外行星繞著畢(宿)星團中的一顆年輕恆星運行，其大小和年齡都異常密集。這個系外行星的重約25個地球質量，略小於海王星，與主要行星形成理論的預測相矛盾。

圖註：NSF的NOIRLab設施進行的新的詳細觀測顯示，一顆年輕的系外行星繞著畢(宿)星團中的一顆年輕恆星運行，其大小和年齡都異常密集。K2-25b比海王星略小，它在3.5天內繞一顆M矮星運行，這是銀河系中最常見的恆星。

在基特峰國家天文臺（KPNO）使用WIYN 0.9米望遠鏡，美國國家科學基金會的NOIRLab計劃，麥克唐納天文臺的Hobby-Eberly望遠鏡以及其他設施對系外行星K2-25b進行的新觀測，引起了關於當前的行星形成理論新的疑問。已經發現系外行星的大小和年齡異常密集，這引發了關於它是如何存在的問題。有關發現的詳細信息，請參見《天文雜誌》。

K2-25b比海王星略小，它在3.5天內繞M矮星運行，這是銀河系中最常見的恆星。行星系統是畢(宿)星團的成員，畢(宿)星團是在金牛座方向附近的年輕恆星團。該系統大約有6億年的歷史，並且距地球約150光年。

儘管在我們的太陽系中找不到這樣的行星，但大小在地球和海王星之間的行星是銀河系恆星的常見伴侶。在系外行星研究中，了解這些「亞海王星」行星是如何形成和演化的是一個前沿問題。

K2-25b

天文學家預測，巨型行星的形成首先是通過合併一個質量為地球質量5-10倍的適中的冰芯，然後將其包裹在質量為地球質量數百倍的巨大氣體包裹層中。其結果類似木星這樣的氣體巨人。K2-25b打破了這一常規所有規則：K2-25b的質量是地球質量的25倍，大小適中，核心幾乎沒有氣體包裹。這些奇怪的特性給天文學家帶來了兩個疑問。首先，K2-25b是如何合併成這麼大的核心的，是理論預測的5-10地球質量極限的許多倍？其次，由於其高核心質量以及隨之而來的強大的引力，它如何避免積累大量的氣態包膜？

研究K2-25b的小組發現結果令人驚訝。普林斯頓大學博士後研究員古德蒙德·斯特凡森（Gudmundur Stefansson）說：「 K2-25b很不尋常。」根據斯特凡森（Stefansson）的說法，系外行星的尺寸小於海王星，但質量約為海王星的1.5倍。斯特凡森說：「與其他年輕的，海王星以下的年輕行星相比，該行星在大小和年齡上都很密集。」「通常觀察到這些世界的密度很低，甚至有一些系外行星大氣層的蒸發範圍很廣。經過測量，K2-25b似乎有一個密實的巖心或富水的核，並有一個薄的外殼。」

為了探索K2-25b的性質和起源，天文學家確定了它的質量和密度。儘管系外行星的尺寸最初是用NASA的克卜勒衛星測量的，但尺寸測量是使用KPNO的WIYN 0.9米望遠鏡和新墨西哥的Apache Point天文臺（APO）的3.5米望遠鏡進行高精度測量獲得。 用這兩個望遠鏡進行的觀測利用了一種簡單而有效的技術，該技術是史蒂芬森博士論文的一部分。該技術使用了一個智能的光學元件，稱為工程漫射器，該元件只需花500元。它可以將恆星發出的光散布到相機上，從而覆蓋更多像素，從而可以更精確地測量行星運行過程中恆星的亮度，從而可以更精確地測量繞行行星的大小等其他參數。

圖註：5釐米x 5釐米（2英寸x 2英寸）工程漫射器的示例。

參與這項研究的NOIRLab天文學家賈亞傑夫·拉賈戈帕爾（Jayadev Rajagopal）說：「創新的漫射器使我們能夠更好地定義過境的形狀，從而進一步限制了行星的大小、密度和組成。」

由於價格低廉，漫射器可提供超大的科學回報。「配備了最先進但價格便宜的設備的小口徑望遠鏡可以成為高影響力科學計劃的平臺。」拉賈戈帕爾解釋說，「將需要非常精確的光度法來與空間任務和更大的地面光圈一起探索宿主恆星和行星，這說明了適中的0.9米望遠鏡在此過程中可以發揮的作用。」

圖註：基特峰國家天文臺WIYN 0.9米望遠鏡的日落美景

得益於WIYN 0.9米望遠鏡和APO 3.5米望遠鏡上可用的漫射的觀察，天文學家現在能夠更精確地預測K2-25b何時將通過其恆星。以前只能以30-40分鐘的計時精度來預測系外行星飛越，而現在以20秒的精度來預測它們。這項改進對於使用國際雙子座天文臺和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等設施計劃後續觀測至關重要。

這項研究的許多作者還參與了KPNO的另一個系外行星狩獵項目：WIYN 3.5米望遠鏡上的NEID光譜儀。NEID使天文學家能夠以極高的精度測量附近恆星的運動（大約是上一代最先進的儀器的三倍），從而使他們能夠檢測，確定像地球一樣小的系外行星並對其進行特徵化。

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