“震驚和高興”：天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)六顆行星在共振軌道上運(yùn)行

“震驚和高興”：天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)六顆行星在共振軌道上運(yùn)行

圍繞迄今為止發(fā)現(xiàn)的最明亮的恒星運(yùn)行，該恒星擁有超過四顆行星，所有行星都具有巖石或冰冷的核心和廣闊的大氣層。

新發(fā)現(xiàn)的由六顆行星組成的系統(tǒng)圍繞著附近的類太陽(yáng)恒星運(yùn)行，可能是解開行星系統(tǒng)形成方式的關(guān)鍵。所有大小在地球和海王星之間的世界都在所謂的共振鏈中運(yùn)行——這種結(jié)構(gòu)在自然界中相對(duì)罕見，這使得該系統(tǒng)成為一個(gè)有價(jià)值的發(fā)現(xiàn)，為了解獨(dú)特的“溫和”歷史提供了一個(gè)窗口。

這一發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《自然》雜志上。

這些行星的發(fā)現(xiàn)之路源于美國(guó)宇航局凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星 (TESS)于 2020 年的首次探測(cè)，該衛(wèi)星尋找行星在其母恒星前面穿過時(shí)亮度的下降情況。當(dāng)時(shí)，根據(jù)下降，研究人員能夠確認(rèn)一顆行星并假設(shè)第二個(gè)可能的世界。

但苔絲只觀察了一塊特定的天空大約兩個(gè)月，然后就繼續(xù)前進(jìn)；兩年之內(nèi)都不會(huì)回來(lái)。TESS 終于在 2022 年再次觀測(cè)到這顆恒星，產(chǎn)生了更多的凌星現(xiàn)象。這確實(shí)揭示了第二顆行星，但凌日的次數(shù)仍然多于兩個(gè)世界所能解釋的。

相關(guān)：凌日方法錯(cuò)過了多少顆系外行星？

因此，該團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向另一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡：歐洲航天局的外行星衛(wèi)星（Cheops），在不受調(diào)查時(shí)間表限制的情況下觀察這顆恒星。他們利用基奧普斯觀測(cè)來(lái)自更遠(yuǎn)行星的更多凌日現(xiàn)象。研究合著者、美國(guó)麻省理工學(xué)院卡維利天體物理研究所和瑞士伯爾尼大學(xué)的 CHESS 研究員休·奧斯本 (Hugh Osborn) 在新聞發(fā)布會(huì)上表示，經(jīng)過五六次觀察后，“我們像戰(zhàn)艦一樣受到了打擊”。周二早上。

他們發(fā)現(xiàn)了第三顆行星。一起觀察軌道，研究人員發(fā)現(xiàn)了一些有趣的事情。每顆行星的軌道周期都與下一顆行星相關(guān)：內(nèi)行星（稱為 b）每 9.114 天繞軌道運(yùn)行一次，下一顆行星（c）每 13.673 天繞軌道運(yùn)行一次，最后一顆行星（稱為 d）每 20.519 天繞軌道運(yùn)行一次。每個(gè)周期大約是下一個(gè)周期的 1.5 倍，這意味著行星處于一種稱為 3:2（發(fā)音為“三比二”）平均運(yùn)動(dòng)共振的配置。對(duì)于最內(nèi)部世界 b 的每三個(gè)軌道，下一個(gè)行星 (c) 會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)軌道。然后，對(duì)于 c 的每三個(gè)軌道，d 形成兩個(gè)軌道。

團(tuán)隊(duì)遵循這一模式，在這條“共振鏈”中尋找更多的世界。首先，他們模擬了處于不同共振狀態(tài)的各種其他行星凌日的頻率，選出最穩(wěn)定的配置。

然后，他們根據(jù)這些模型尋找預(yù)期的凌日現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)了另外三顆行星：e、f 和 g，周期分別為 30.793、41.059 和 54.770 天。整個(gè)系統(tǒng)可以安裝在水星軌道內(nèi)。

總而言之，最里面的四顆行星處于 3:2 共振。外行星 f 和 g 處于 4:3 共振狀態(tài)——其內(nèi)部行星每繞四圈軌道，下一顆行星就會(huì)繞三圈。總體而言，最內(nèi)層行星 b 每繞六圈，最外層行星 g 繞一整圈。

奧斯本說(shuō)：“我們經(jīng)常做出預(yù)測(cè)，而大自然會(huì)找到一種方法做其他事情，但與我們的預(yù)期不太相符。” 但在這種情況下，大自然恰到好處。奧斯本回憶說(shuō)，當(dāng)他們開始發(fā)現(xiàn)行星凌日時(shí)，他們的模型表明：“我的下巴都快掉到地上了”，他感到“震驚和高興”。

圖片來(lái)源：歐洲航天局

尋找海王星下

這些行星圍繞 HD 110067 運(yùn)行，這是一顆與太陽(yáng)相似的恒星，其大小和質(zhì)量約為太陽(yáng)的 80%。它位于后發(fā)座，在日出前幾個(gè)小時(shí)，在金星（處女座）上方東方的清晨天空中可見。

HD 110067 距離我們僅 100 光年，視星等為 8.4。奧斯本說(shuō)，這使其成為目前已知擁有四顆或更多行星的最亮恒星，其光波長(zhǎng)比著名的紅矮星TRAPPIST-1亮約 10,000 倍。

此外，TRAPPIST-1 的七顆行星都是巖石世界，大氣層稀薄——如果有的話。HD 110067 的六顆已知行星都有冰或巖石的核心，但也有厚厚的氫和氦大氣層。它們的直徑大約是地球直徑的兩到三倍。

研究小組根據(jù)行星的密度（根據(jù)大小和質(zhì)量計(jì)算得出）知道了這一點(diǎn)。但凌日只能根據(jù)行星阻擋的光線量來(lái)確定行星的大小。為了獲得質(zhì)量，該團(tuán)隊(duì)使用了一種稱為徑向速度的不同技術(shù)，該技術(shù)可以測(cè)量恒星因繞軌道運(yùn)行的行星左右拖動(dòng)而引起的微妙“擺動(dòng)”。西班牙特內(nèi)里費(fèi)島加那利天體研究所的合著者恩里克·帕勒（Enric Palle）說(shuō)：“你可以想象，有六顆行星，這真是一團(tuán)糟。”

超過 100 次徑向速度觀測(cè)提供了足夠的信息來(lái)測(cè)量其中三顆行星的質(zhì)量，同時(shí)對(duì)其余三顆行星的質(zhì)量設(shè)定了上限。一旦天文學(xué)家知道了一顆行星的大小和質(zhì)量，他們就可以計(jì)算它的密度，從而揭示它的類型——在這種情況下，具有一些巖石和擴(kuò)展大氣層的世界更像是海王星而不是地球。因此，它們被稱為亞海王星。（海王星的寬度是地球的 3.88 倍。）比地球大、比海王星小的行星，其密度更暗示主要是巖石和稀薄的大氣層，例如 TRAPPIST-1 的鵝群，被稱為超級(jí)地球。

我們的太陽(yáng)系沒有這兩種類型的行星，但它們是觀測(cè)其他恒星時(shí)最常見的系外行星。

一個(gè)行星系統(tǒng)如何最終以完美的數(shù)學(xué)比率繞軌道運(yùn)行？研究小組表示，這很可能就是行星系統(tǒng)的開始方式，反映了形成行星的原行星盤最終消失時(shí)留下的初始條件。這種共振鏈在自然界中應(yīng)該非常常見——但事實(shí)并非如此。這是因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，諸如經(jīng)過的恒星、流星撞擊和徘徊的巨行星等混亂事件會(huì)使任何共振變得模糊，直到它們消失。

但自這些行星形成以來(lái)，HD 110067 的共振鏈已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十億年，這表明“這個(gè)系統(tǒng)的演化一直非常安靜、非常溫和，”芝加哥大學(xué)的主要作者拉斐爾·盧克說(shuō)。

最終，大約 1% 的行星系統(tǒng)仍在共振軌道上運(yùn)行。研究小組表示，我們知道大約有 40 或 50 個(gè)。這并不是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的六行星共振系統(tǒng)。

然而 HD 110067 仍然脫穎而出。除了原始的軌道結(jié)構(gòu)外，這顆恒星非常明亮，有六顆行星，都擁有充足的大氣層。這使得它成為詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡的主要目標(biāo)，在這些行星凌日時(shí)觀察它們的大氣層，尋找甲烷、二氧化碳、水和氨等分子的存在。這樣做不僅可以告訴我們行星大氣層的成分，還可以了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括它們是否可能含有大量的水。

也許最引人注目的是，該系統(tǒng)為研究亞海王星如何形成和行星系統(tǒng)如何在沒有外界影響的情況下演化提供了完美的測(cè)試平臺(tái)。這六顆行星均由相同的物質(zhì)形成，起始于相同的初始條件，并經(jīng)歷了與其他行星相同的歷史。天文學(xué)家可以將這些世界相互比較，以研究在沒有任何其他因素的情況下，大小、質(zhì)量、溫度和距恒星距離的細(xì)微差異如何影響行星的演化。

盧克說(shuō)，在 HD 110067 及其行星中，天文學(xué)家擁有一個(gè)單一、完美的測(cè)試平臺(tái)——一個(gè)“受控實(shí)驗(yàn)……這將使我們?cè)谖磥?lái)幾年學(xué)到很多東西。”

編者注：這個(gè)故事的早期版本錯(cuò)誤地指出，c 每三個(gè)軌道，d 就等于三個(gè)。