震撼消息:外來超級地球或將大量存在

  北京時間12月6日消息,美國報道,我們太陽系內存在很多世界,從如地獄火的金星到冰凍平原的火星,再到強勁風的天王星。從這個角度講,地球是獨立存在的,沒有一顆行星可以比擬它的宜居性。

  然而太陽系外又是另一番場景。利用太空和地面望遠鏡的觀測表明有一個名為超級地球的新天體類型——這些世界質量大約為地球的2-10倍,半徑不超過地球的2倍——可能是環繞其它恆星中最常見的行星類型。

  這是因為在過去的幾年間,天文學家發現了大量環繞不同類型恆星的地球大小的多岩石天體。在這些行星系統中,那些環繞M級恆星——比太陽更冷卻更昏暗的恆星——的行星是尤其重要的。因為這些恆星的低表面溫度,類地行星為了保證地表能夠維持液態水所處的區域(也即可居住區)將距離恆星更近,從而使得觀察這些潛在可居住的超級地球更加簡單。

  位於恆星可居住區的潛在超級地球開普勒-62f的藝術家印象圖。

  科學家還相信這些更小的恆星在宇宙裡是普遍存在的,暗示著我們的星系鄰居裡將存在大量的超級地球。美國宇航局天體生物學研究所、美國夏威夷大學馬諾分校天文學學院的納德·哈吉吉波爾(Nader Haghighipour)的研究興趣便是查明這些世界是如何形成的,更重要的是,它們是如何到達目前的軌道的。

  他的某些工作暗示著巨大行星的遷移可能是導致較小天體軌道更近的主要原因。它們巨大的引力激起了運行軌道上的岩石和原行星殘骸,從而導致後者散落在星系附近,或者合併形成更小的星球,例如超級地球。“當巨大的行星靠近中央恆星,尤其是M白矮星,我非常感興趣的是它們是如何影響較小的微行星的吸積,以及這將如何導致超級地球的產生,尤其是位於可居住區內,” 哈吉吉波爾說道。

  加速發現超級地球的步伐

  哈吉吉波爾近期調查了超級地球的狀態,這篇研究被發表在期刊《地球與行星科學年度回顧》上。第一批超級地球發現於1992年,當時它們環繞著脈衝星PSR B1257+12,但只是在過去的五年間發現超級地球的步伐加快了許多。這主要歸結於美國宇航局開普勒太空望遠鏡的出現,它花費了4年時間搜尋天鵝座小部分天空區域的行星。開普勒於2013年結束了自己的主要任務,它其實已經遠超過了預計的壽命。在任務期間,它提供了大量高質量的數據,革命化了系外行星科學領域。

  位於較小恆星周圍的短週期超級地球比位於太陽大小甚至更大的恆星周圍的行星更容易監測,這是因為較小的恆星對行星拖拽作用的反應更為明顯。如果從地球的視野看行星恰好從恆星前方路經,那麼超級地球將阻擋更多恆星的光,使得它更容易被監測到。這一事實導致研究的注意力集中在利用徑向速度和過境光度測定研究來尋找M恆星可居住區內的超級地球。

位於美國夏威夷的凱克望遠鏡。

  這些行星可以通過開普勒望遠鏡和地面望遠鏡觀測到,比較常見的是,借助地面望遠鏡的發現往往利用了兩項儀器,其中之一是位於智利拉西拉歐洲南方天文台3.6米望遠鏡上的高精度視向速度行星搜索器(HARPS),另一個是位於夏威夷莫納克亞山凱克天文台的高分辨率階梯光柵光譜儀(HiRES)。

  當美國宇航局科學家重新監測開普勒的項目——它因兩個後反動輪失靈而暫停了科研工作——他們正計劃開普勒繼任者項目,系外凌日現象觀測衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,簡寫TESS)。TESS在搜尋超級地球上有利有弊,哈吉吉波爾說道。

  “由於TESS將覆蓋整個天空,與開普勒只關注一小部分天空有所不同,它可能會發現更多(系外行星),” 哈吉吉波爾說道。“至於準確性和精密度,由於它不會像開普勒一樣只停留在部分天空,因此它的精確性可能沒有開普勒那麼高。”

  可居住性

  哈吉吉波爾非常感興趣的一個特定恆星系是格利澤667,一個距離地球22光年遠的三星系統。哈吉吉波爾是2012年鑒別出格利澤667C可居住區內至少存在一顆超級地球的研究小組成員之一。

  今年,由德國哥廷根大學帶領的另一支小組揭示了如果存在一顆超級地球,那麼實際上應該存在很多顆。這項最新的分析發現格利澤667系統裡的M恆星大約有6顆或7顆行星,包括可居住區內3到5顆超級地球。

  由於這顆恆星非常昏暗,位於可居住區內的行星可能非常擁擠。研究人員預估計這些行星的運行週期非常短,大約為20天至50天,甚至有的行星的一面會垂直朝向宿主恆星。即使是這樣,天文學家仍相信生命可能在這樣的世界裡存在。“這是目前我們獲得的(對潛在可居住系外行星)最可靠的監測”。哈吉吉波爾說道,而目前面臨的挑戰是從遠距離理解行星的可居住環境。

從美國宇航局水星信使號宇宙飛船看到的地球。天文學家並不確定超級地球是否具有類似地球的大陸板塊或者大氣層。

  雖然計算恆星可居住區的位置相對直接,但建模行星的動態性和氣候則並非易事。這些行星是否有板塊,例如——調節大氣層裡二氧化碳和水含量的地球物理學過程。天文學家對它們的內部結構仍一無所知,理解系外行星大氣層組成部分仍是某些研究小組開始研究的課題。

  然而,鑒定超級地球的工作仍在持續進行,自2009年起哈吉吉波爾就與美國加州大學聖克魯茲、華盛頓卡耐基研究所的研究人員一起努力監測M恆星可居住區內的超級地球。格利澤667Cc是這些合作中最被援引的發現,但其實還存在其它發現。

  從理論層面講,哈吉吉波爾已經在天體物理學期刊上發表了兩篇有關雙星系統可居住性的文章。他還試圖解開超級地球在距離自身恆星很遠的地區是如何形成的。“很有可能每個系統都有自身的歷史以及自我形成的方式。沒有理由相信一個系統內行星的形成,或者可居住區內超級地球的形成,適用於所有系統。”

  這項研究還可能提供我們太陽系自身形成的新見解。超級地球和熱木星——緊密環繞自身母恆星的氣體巨星——似乎在其它系統裡普遍存在,為什麼太陽系內則不同呢?“誠實來說,我們尚未有明確的答案。目前存在很多不同的模型陳述不同的理論解釋太陽系內為什麼沒有超級地球和熱木星。但這些模型想要具有說服力,首先它們必須要能夠解釋太陽系的其它特性。”

開普勒太空望遠鏡在搜尋系外行星時監測的恆星區域。

  例如,緊密環繞太陽的氣體巨星很可能會影響周圍環繞的多岩石行星,這將是天文學家需要解決的一個有趣理論難題,否則他們將無法繼續對太陽系外的行星進行分類。





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