天文学家揭秘,热木星如何变身巨无霸?

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有关太阳系外行星的研究,揭开了一些不可思议又引人入胜之事的神秘面纱。例如,目前发现的、数以千计的行星中,有许多在体积上远超过它们在太阳系的“巨型同类”。举个例子, 大部分气态巨行星(即“热木星”)曾被观察到紧紧地围绕它们的恒星运动,这些气态巨行星在质量上和木星或土星类似,但在体积上却也明显更大。

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木星外观

自从十年前,天文学家首次对一颗系外气态巨行星的大小进行限制以来,有关这些行星为何如此巨大的迷雾便从未消散。幸亏,在K2-132和K2-97两个行星系统中发现的双胞胎行星—-由夏威夷大学天文研究所的一支团队利用开普勒任务中的数据所得—-使科学家相信,我们正在逐步接近答案。

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图解: 艺术家想像下的一颗热木星-因自身的热而发出红光。

这一发现的研究—-“在K2上发现两颗行星:对红巨星支不同恒星周围两颗极其相似的行星做重复暴胀测试”—-出现在《天体物理学杂志》上。该研究队伍由夏威夷大学研究生塞缪尔·K·古朗布拉特(Samuel K. Grunblatt)带头,团队成员则来自悉尼天文研究所(SIfA)、加州理工学院(Caltech)、哈佛-史密森天体物理中心(CfA)、美国国家航空和航天局(NASA)戈达德太空飞行中心、地外文明探索(SETI)研究院等多所大学和研究机构。

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图解:设计概念图展示了太阳系外类木行星(即一颗“热木星”)的公转轨道相对靠近它的恒星。  图源:美国宇航局/喷气推进实验室-加州理工学院

由于这些行星的“火热”天性,它们非同寻常的体积被认为与进进出出它们的大气层的热流相关。所以出现了一些理论来解释这个过程,但还未有测试这些理论的方法。正如古朗布拉特解释的那样,“因为我们没有几百万年的时间来见证某一特定的行星系统是如何逐步演化的,证明或推翻行星暴胀理论一向都并不简单。”

为了解决这个问题,古朗布拉特和他的同事们搜寻从美国宇航局的开普勒任务(特别是其中的K2任务)收集到的数据,以期找到围绕红巨星运动的“热木星”。这些恒星已经退出它们的主序寿命,并进入红巨星支(RGB)阶段,其特征是大规模体积暴胀和表面的温度下降。

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图解:太阳系外热木星群图

因此,红巨星可能会吞噬近距离围绕它们运转的行星,而曾经离得远的行星则开始在它们附近公转。根据艾瑞克·洛普兹(Eric Lopez) —- 一位美国国家航空和航天局戈达德科学与探索理事会的成员 —- 提出的一条理论,如果寄主星直接输出的能量主导了行星暴胀的过程,那么围绕红巨星公转的热木星应当会膨胀。

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图解:比较当前作为主序星的太阳和将来成为红巨星的太阳。

他们搜寻到了两颗行星 —- K2-132b和K2-97b —- 它们在轨道周期(9天)、半径和质量上几乎一致。根据他们的观测结果,这支队伍得以精确地计算出两颗行星的半径并判定它们比木星大30%。夏威夷莫纳克亚山的W.M.凯克天文台的后续观测,也显示出这两颗行星的质量只有木星的一半。

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图解:一颗类太阳恒星的生命周期:从原恒星(左侧)变为红巨星(近右侧)最后成为白矮星(最右)。 图源:欧洲南半球天文研究组织 /M·科恩梅瑟尔

该研究队伍随后利用模型来追踪行星与其恒星随着时间的演化过程,这能让他们计算出行星从它们的恒星那里吸收了多少热量。当热量从行星的外层转移到内部深处时,这些行星便会增大体积,减小密度。该队伍的研究结果表明,尽管行星很可能需要增加辐射来暴胀,但它们得到的辐射量低于预期。

虽然古朗布拉特及其团队的研究,在范围上是有限的,但却符合理论:庞大的气态巨行星受到其寄主星的热量而暴胀。其他的支持性证据暗示,一颗气态巨行星只需要恒星辐射便能显著改变其体积与密度。该意义十分重大,鉴于我们的太阳会在未来某天退出它的主序,这将剧烈地影响我们的行星系统。

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图解:哈勃于1997年拍摄的红巨星蒭藁增二。

正因为如此,研究远方的红巨星并了解它们的行星当下所发生的事情,能够帮助天文学家预测我们的太阳系未来将经历什么,即便是在几十亿年之后。正如古朗布拉特在天文研究所的一份新闻声明中所做出的解释:

“研究恒星演化如何影响行星,是一个新的前沿领域,不论是其他的太阳系还是我们自己的。通过更好地了解行星如何应对这些变化,我们便可以开始确定太阳演化是怎么对地球上的大气、海洋和生命产生影响了。”

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图解:太阳、木星、地球体积对比

人们希望,未来专注于红巨星周围的气态巨行星的课题调研,能有助于解决相悖的行星膨胀理论之间的争议。古朗布拉特和他的团队,因为他们做所的努力,得到了使用美国国家航空和航天局斯皮策太空望远镜一段时间的奖励,他们打算用它进一步观测K2-132和K2-97两个行星系统,和它们各自的气态巨行星。

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图解:K2-132b行星与其恒星的位置关系。

相关知识

红巨星是巨星的一种,是恒星的一种演化阶段,质量约为0.5至8个太阳质量,质量不同,寿命不同,大概数百万年。

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图解:红巨星和太阳的比较

质量更大的称为红超巨星,再大的为红特超巨星。

热木星,亦称为烤炉行星、恒星侧木星和飞马星,是一种系外气体巨行星。它们的质量接近或超过木星(1.9 × 10^27 kg),但与太阳系中的情况不同:木星的轨道半径是5天文单位,成为热木星的行星轨道与母恒星距离在0.5至0.015天文单位以内,大约只是太阳系内水星到太阳距离的八分之一至金星到太阳距离。

参考资料

1.维基百科全书

2.天文学名词

3. 教初中英语的Hannah – universetoday

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翻译:天文志愿文章组-教初中英语的Hannah

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自: (https://www.universetoday.com/137979/astronomers-think-know-hot-jupiters-get-enormous/)

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