棉花糖般的行星:質量不超過地球的幾倍,但體積卻跟木星一樣大!

2020-12-05 博科園

「超級泡芙」聽起來可能像是一種新的早餐麥片,但它實際上是一類獨特而罕見年輕系外行星的代名詞,這些行星的密度像棉花糖一樣,但在我們的太陽系中不存在這樣的天體。來自美國宇航局哈勃太空望遠鏡的新數據,為克卜勒51系統中兩顆「超級泡芙」膨脹行星的化學提供了第一批線索。早在2012年,NASA克卜勒太空望遠鏡發現了這個系外行星系統,它實際上擁有三個圍繞著一顆年輕類似太陽的恆星運行。

然而,令許多人驚訝的是,直到2014年才確定了這些行星的低密度。哈勃望遠鏡的新觀測,使一組天文學家得以改進這些星球的質量和大小估計,獨立地證實了它們的「膨脹」性質。雖然它們的質量不超過地球幾倍,但它們的氫/氦大氣層非常膨脹,幾乎有木星那麼大。換句話說,這些行星看起來可能和木星一樣大和笨重,但質量大約輕一百倍目前尚不清楚它們的大氣層是如何以及為什麼向外膨脹,但這一特徵使「超級泡芙」成為大氣研究的首要目標。

使用哈勃望遠鏡,研究小組尋找克卜勒-51b和51d行星大氣中成分的證據,尤其是水。哈勃望遠鏡在行星經過恆星前面時觀察了它們,目的是觀察它們日落的紅外顏色。天文學家推斷出大氣在紅外線中吸收的光量,這種類型的觀測,使科學家能夠尋找行星化學成分(如水)的跡象。令哈勃團隊驚訝的是,發現這兩顆行星的光譜沒有任何可以說明問題的化學特徵。研究團隊,將這一結果歸因於大氣中高處的粒子云。

科羅拉多大學博爾德分校的傑西卡·利比-羅伯茨說:這完全出乎意料,我們原本計劃觀察大型吸水地貌,但它們就是沒有。然而,與地球上的水雲不同,這些行星上的雲可能由鹽晶體或光化學煙霧組成,就像在土星最大衛星土衛六上發現的那樣。這些雲層為研究小組提供了洞察克卜勒-51b和51d如何與太陽系外其他低質量、富含氣體行星相提並論的洞察。當將「超級泡芙」行星的平坦光譜與其他行星光譜進行比較時:

研究小組能夠支持這樣的假設,即雲/霾的形成與行星溫度有關,行星越冷,它變得越多雲。研究小組還探索了這些行星實際上根本不是「超級泡芙」行星的可能性。行星之間的引力對軌道周期造成了輕微的變化,從這些時間效應可以得出行星的質量。通過將行星經過其恆星前面的時間變化(稱為凌日事件)與克卜勒太空望遠鏡觀測到的凌日時間變化相結合,研究小組更好地確定了行星質量和系統動力學,結果與之前對克卜勒-51b的測量結果一致。

然而,發現克卜勒-51d質量比之前認為的略小(或者說行星比之前認為的更蓬鬆)。最後,研究小組得出結論:這些行星低密度在一定程度上是該系統年齡較小的結果,與我們46億歲的太陽相比,這個年齡只有5億年。模型表明,這些行星是在恆星的「雪線」之外形成,「雪線」是冰物質可以存在的可能軌道區域。然後,行星向內遷移,就像一連串的火車車廂。現在,隨著行星離恆星越來越近,它們的低密度大氣應該會在接下來的數十億年內蒸發到太空中。

使用行星演化模型,研究小組能夠證明,克卜勒-51b,離恆星最接近的行星,有一天(10億年後)看起來會像海王星的一個更小、更熱版本,海王星是一種在銀河系相當常見的行星。然而,看起來距離恆星較遠的克卜勒-51d,將繼續是一顆低密度的古怪行星,儘管它會收縮並失去一些少量的大氣。這個系統為檢驗早期行星演化理論提供了一個獨特的實驗室。好消息是,在確定這兩個行星的大氣組成方面,並沒有失去一切。

美國國家航空航天局(NASA)即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡對較長紅外波長的光很敏感,或許能夠透過雲層進行觀測。未來用這架新望遠鏡進行的觀測,可能會提供關於這些「棉花糖」行星實際上是由什麼組成的洞察,在那之前,這些行星仍然是一個甜蜜的謎。

博科園|研究/來自:歐洲航天局/哈勃信息中心博科園|科學、科技、科研、科普

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