終於知道為什麼熱木星會如此巨大了

2021-01-19 博科園

對太陽系外行星的研究揭示了一些奇妙而有趣的事情。例如迄今為止發現的數千顆行星中，有許多行星比自己恆星系行星要大得多。大多數被觀測到的氣態巨行星都是圍繞著恆星運行。「熱木星」在質量上與木星或土星相似，但體積也大得多。

k2 - 132系統的藝術圖，以及在其主序列和紅色分支階段的星圖。圖片版權：Karen Teramura/UH IfA


自從7年前天文學家第一次對一個太陽系外的氣體巨行星的大小進行限制以來，為什麼這些行星如此巨大的奧秘就一直存在。由於最近在k2 - 132和k2 - 97系統中發現了兩顆行星，這是由夏威夷大學天文學研究所的一個團隊利用克卜勒任務的數據做出的，科學家相信我們正在接近答案。


這項研究詳細描述了這一發現——「與K2的雙重測試再度膨脹，有兩個非常相似的行星圍繞著紅巨星」——最近發表在《天體物理學雜誌》上。該團隊由夏威夷大學的研究生Samuel k . Grunblatt領導，包括雪梨天文研究所(SIfA)、加州理工學院、哈佛-史密森天體物理中心(CfA)、NASA戈達德太空飛行中心、SETI研究所、以及多所大學和研究機構。


對木星大小的太陽系外行星的概念圖，軌道相對靠近恆星(aka)「熱木星」)。圖片版權：NASA/JPL-Caltech)


由於這些行星的「熱」性質，它們不同尋常的大小被認為與進出其大氣的熱量有關。已經有一些理論來解釋這個過程，但是沒有任何測試方法可用。正如Grunblatt解釋的那樣：由於我們沒有幾百萬年的時間來觀察一個特定的行星系統是如何發展的，行星膨脹理論很難證明或證明。


為了解決這個問題，Grunblatt和他的同事們搜索了NASA克卜勒任務(特別是它的K2任務)收集的數據，以尋找「熱木星」軌道運行的紅巨星。這些恆星已經脫離了它們生命周期的主序列，進入了紅巨星分支(RGB)階段，其特徵是大規模的膨脹和表面溫度的降低。

其結果是紅巨星可能會超過環繞地球的行星，而那些曾經遙遠的行星將會開始接近軌道。根據美國國家航空航天局戈達德科學與探索理事會成員埃裡克·洛佩茲提出的一項理論：如果恆星的直接能量輸出是膨脹行星的主導過程，那麼紅巨星的軌道就會膨脹。


到目前為止搜索已經發現了兩顆行星——k2 - 132b和k2 -97 b——軌道周期(9天)、半徑和質量幾乎相同。根據觀察，研究小組能夠精確地計算出兩顆行星的半徑，並確定它們比木星大30%。夏威夷Maunakea的W.M.凱克天文臺的後續觀察也顯示，這些行星的質量只有木星的一半。


從原恆星(左側)到紅巨星(右方)到白矮星(極右)的恆星的生命周期。圖片版權：ESO/M. Kornmesser


研究小組利用模型追蹤行星及其恆星的演化過程，使能夠計算出行星從恆星吸收的熱量。當這種熱量從它們的外層轉移到它們的深層內部時，行星的體積增大，密度降低。他們的研究結果表明：雖然行星可能需要增加的輻射來膨脹，但它們得到的數量低於預期。


雖然這項研究的範圍有限，但格倫布拉特和他的團隊的研究與這一理論相一致，即巨大的氣態巨行星因其恆星的高溫而膨脹。其他證據表明：恆星輻射是一個巨大的氣體巨人需要極大地改變它的大小和密度。這無疑是重要的，因為我們自己的太陽也總有一天會離開它的主序列，這將太陽系行星系統產生巨大的影響。

因此，儘管在幾十億年之後，研究遙遠的紅巨星及其行星的經歷將有助於天文學家預測我們的太陽系將經歷什麼，。正如Grunblatt在IfA的新聞聲明中解釋的那樣：研究恆星演化對行星的影響是一個新領域，無論是在其他太陽系還是我們自己的領域。」通過更好地了解行星如何應對這些變化，可以開始確定太陽的演化將如何影響地球上的大氣、海洋和生命。


希望未來的調查能夠幫助解決行星膨脹理論之間的爭論。在他們的努力下，Grunblatt和他的團隊最近獲得了使用NASA的斯皮策太空望遠鏡的獎勵，他們計劃用它來進一步觀察k2 - 132和k2 - 97，以及它們各自的氣態巨行星。


在未來的幾年裡，圍繞著紅色巨星的行星的搜尋工作也將加強，將部署NASA的凌日系外行星測量衛星(TESS)和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)。這些任務將分別在2018年和2019年發射，而K2任務預計將持續至少一年。


博科園｜文：Matt Williams/Universe Today

參考期刊《天文學報》

DOI：10.1089/ast.2018.1965

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