欧洲系外行星特性探测卫星发现一颗榄球形状的系外行星

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欧洲太空总署的系外行星特性探测卫星(CHaracterising ExOPlanets Satellite,简称 CHEOPS)发现,在一天内围绕它的母恒星运行的系外行星具有变形的形状,更像是榄球而不是球体。 这是首次探测到系外行星变形,对了解这些变形行星的内部结构提供新的见解。

欧洲系外行星特性探测卫星发现一颗榄球形状的系外行星

这颗名为WASP-103b的行星位于武仙神座。 这颗行星和它的母星WASP-103之间的强大潮汐力变形,WASP-103 的温度比太阳高二百度,质量大1.7倍。我们在地球海洋中经历潮汐,主要是由于月球在绕我们运行时略微拉扯着地球。 太阳对地球的潮汐也有微小影响,但重要的是它离地球太远,不会导致地球有的重大变形。 WASP-103b的情况并非如此,它是一颗大小几乎是木星两倍、质量是1.5倍的行星,在不到一天的时间内绕母星运行。 天文学家怀疑如此接近会导致巨大的潮汐,但直到现在他们还无法从地面测量到这颗行星的情况。

使用来自欧洲太空总署的系外行星特性探测卫星的新数据,结合美国航天局和欧洲太空总署哈勃太空望远镜和美国太空总署的史匹哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope)已经获得的数据,天文学家现在已经能够探测到潮汐力如何使系外行星WASP-103b从一个通常的球体变形成榄球形状。

系外行星特性探测卫星测量系外行星凌日,当一颗行星从它的恒星前面经过时引起的光线下降。 通常,研究光变曲线的形状显示有关行星的详细资料,例如:它的大小。 系外行星特性探测卫星的高精度及它的指向灵活性,使卫星能够返回目标并观察多次凌日,使天文学家能够探测到WASP-103b潮汐变形的微小讯号。 这个独特的个性可以用来揭开更多关于这个星球的信息。

巴黎科学与文学大学巴黎天文台的雅克·拉斯卡(Jacques Laskar)说:「令人难以置信的是,系外行星特性探测卫星实际上能够揭露这种微小的变形。 这是第一次进行这样的分析,我们可以希望在更长的时间内进行观测将加强这种观察,从而更好地了解行星的内部结构。」

该团队能够使用WASP-103b的光度变化曲线来推导出一个参数:洛夫数(Love number)是一个无量纲参数,用于测量行星体的刚性及其形状响应潮汐势而变化的敏感性。 衡量质量在行星内的分布情况。 了解质量如何分布可以揭开行星内部结构的细节。

葡萄牙波尔图大学(University of Porto)的博士后研究员苏珊娜·巴罗斯(Susana Barros)解释说:「材料对变形的抵抗力取决于它的成分。 例如,在地球上,由于月球和太阳,我们有潮汐,但我们只能看到海洋中的潮汐。 岩石部分不会移动那么多。 通过测量地球的变形程度,我们可以知道有多少其中有岩石、气体或水。」

WASP-103b的洛夫数与木星相似,这初步显示内部结构相似,尽管WASP-103b的半径是木星的两倍。

苏珊娜说:「原则上,我们预计质量是木星1.5倍的行星的大小大致相同,因此WASP-103b必须由于它的母恒星的加热以及其它机制引至它有异常的膨胀。 如果我们能够通过未来的观测来确认它的内部结构的细节,也许我们可以更好地了解是什么让它如此膨胀。 了解这颗系外行星核心的大小对于更好地了解它是如何形成的也很重要。」

由于洛夫数的不确定性仍然很高,未来需要用系外行星特性探测卫星和韦伯太空望远镜进行观测才能破译细节。 韦伯太空望远镜极高精度将改善系外行星潮汐变形的测量,从而更好地比较这些所谓热木星和太阳系中的巨行星。

另一个谜团也围绕着WASP-103b。

恒星与非常接近的木星大小的行星之间的潮汐相互作用通常会导致行星的轨道周期缩短,使它逐渐靠近母恒星,然后最终被母星吞没。 然而,对WASP-103b的测量似乎显示它的轨道周期可能正在增加,并且这颗行星正在缓慢地远离母恒星。 这显示潮汐力以外的其它因素是影响这个星球的主要因素。

苏珊娜和她的团队研究其它潜在的情况,例如:影响系统动力学的宿主伴星或行星的轨道略呈椭圆形。 他们无法确认这些情况,但也无法排除它们。 也有可能轨道周期实际上是在减少,而不是在增加,但只有用系外行星特性探测卫星和其它望远镜对WASP-103b的凌日进行额外的观测才能帮助解开这个谜团。

欧洲航天局的系外行星特性探测卫星项目科学家姫蒂·伊丝克(Kate Isaak)说:「潮汐变形对系外行星凌日光曲线的影响非常小,但由于系外行星特性探测卫星的高精度,我们第一次能够看到这一点。 这项研究是系外行星科学家能够用系外行星特性探测卫星解决的非常多样化问题的一个很好的例子,说明这项灵活的后续任务的重要性。”

【图、文:节译自欧洲太空总署网页】研究全文刊登在2022年1月由出版第657卷《天文及天体物理学报》;

标题是:Detection of the tidal deformation of WASP-103b at 3 σ with CHEOPS WASP = Wide Angle Search for Planets = 广角寻找行星星表

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