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目前所观测到质量最大的岩质系外行星TOI-849b

行星TOI-849b的直径与海王星相当,但密度却非常高,是颗距离母恒星很近的岩质行星。 ILLUSTRATION BY MARK GARLICK, UNIVER

行星TOI-849b的直径与海王星相当,但密度却非常高,是颗距离母恒星很近的岩质行星。 ILLUSTRATION BY MARK GARLICK, UNIVERSITY OF WARWICK1

(神秘的地球uux.cn报道)据美国国家地理(撰文:NADIA DRAKE 编译:邱彦纶):已知最大岩质行星现身──40倍地球质量的怪异新行星!这个天体或许是失败气态巨行星的核心,并挑战了天文学家对行星形成的认知。

在大约730光年外──这距离在我们的星系里并不算太远,有颗超级怪异的行星绕着一颗类似太阳的恒星公转,这颗巨大的高密度行星与母恒星的距离相当近。 无论是在我们自己的太阳系里或是更遥远的地方,天文学家都从未见过与这类似的天体。

这颗炽热的行星名为TOI-849b,是我们目前所观测到质量最大的岩质行星,里头塞满了相当于40个地球的物质。 令人费解的是,TOI-849b的超大体积暗示它应该是颗像木星一样的巨大气态行星,但它却几乎没有大气层。 这种行星的诞生机制,挑战了科学家对行星形成的理解。

「让一颗行星变得跟TOI-849b一样,质量那么大又相当致密,却没有成为气态巨行星,是非常困难的。 」英国华威大学研究系外行星的专家大卫. 阿姆斯特朗(David Armstrong)在电子邮件中写道:「在行星形成的标准程序中,有东西出错了。 」由他担任第一作者的论文对这颗新行星进行研究,并发表在7月1日出版的《自然》(Nature)期刊上。 他和同事们认为,这是颗比木星还大的巨行星因失去外围气体而暴露出的核心。

「正是这些与众不同的天体推动理论走得更远,让系外行星和行星科学领域如此让人兴奋,」这篇论文的共同作者──苏黎世大学的拉维特. 哈立德(Ravit Helled)说。

「这真是太奇怪了! 」并未参与此研究的加州大学圣克鲁兹分校(University of California Santa Cruz)地外行星实验室(Other Worlds Laboratory)主任乔纳森. 福特尼(Jonathan Fortney)补充道:「但我也不确定它能告诉我们什麽。 」

怪异行星与它的产地

过去十年间,行星猎人在浩瀚的银河系里发现了好几千颗遥远的行星。 显然大多数行星和地球很不一样,而且可以分成两类,一种是「热木星」(hot Jupiter)──距离母恒星很近的气态巨行星,另一种是「超级地球」(super-Earth)──比地球大但比海王星小的岩质行星。 然而,TOI-849b不属于这两种分类中的任何一种。

这颗行星是由美国航天总署(NASA)专门用来搜索行星的太空望远镜「凌日系外行星巡天卫星」(Transiting Exoplanet Survey Satellite,简称TESS)所发现的,目前这个望远镜正在搜索离我们最近、最亮的20万颗恒星。 当这颗行星通过恒星盘面的前方时,会遮挡住一点点的星光。 这样转瞬即逝的凌日现象,让我们得知这颗行星每18小时会绕母恒星一圈,表面温度高达摄氏1538度。

凌日系外行星巡天卫星的观测结果还让科学家推算出,这颗行星的直径约为地球的3.4倍,或是海王星的85%,对距离恒星这么近的行星来说,这么大的体积很不寻常。 目前天文学家在这么接近母恒星处所观测到的,主要都是热木星或是非常小的超级地球,在所谓的「热海王星沙漠」(hot-Neptune desert)中,没有任何行星存在。

「其实那里真的没有这种质量的行星存在。 」福特尼说道。 TOI-849b的直径恰好相当于热海王星,但质量却大了两到三倍。

科学家利用智利拉西拉天文台(La Silla Observatory)的「高精度径向速度行星搜索器」(HARPS)观测母恒星的重力摆动情况后发现,虽然TOI-849b的直径与海王星差不多,但质量却起码是海王星的两倍,这表示TOI- 849b的密度非常高。 这颗行星或许有层稀薄的大气层,成分可能是氢气与氦气,但这远少于这么重的行星所能留住的气体量。

哈立德说:「我们认为这颗行星是由金属、硅酸盐、水所构成,可能还有(非常)稀薄的大气层。 」

远古的遗迹?

这些奇特的特性让阿姆斯特朗和他的同事认为这颗神秘行星很可能是一颗气态巨行星的内核,而这颗气态巨行星的质量理应变得比木星还要更重。 我们太阳系里的气态巨行星很可能也拥有以岩石和独特材料形成的致密内核,但科学家认为其中没有一颗行星的内核与TOI-849b类似。

「木星内核究竟有多重呢? 即使是我们最好的推测仍然极为不确定,」阿姆斯特朗说:「但最近的一些研究显示其质量上限是25倍的地球质量,TOI-849b的质量甚至比这还要大。 」

目前关于行星形成的理论认为,环绕新生恒星周围的气体和尘埃盘中存在着大量的微小岩石和冰粒,这些小种子聚合形成了行星。 有些行星──像是地球,聚积的物质较少,于是形成了体积较小的行星;而有些行星则聚集了气体,形成了大气层极大的巨行星──像是木星和土星。

阿姆斯特朗表示,当行星成长到约10倍的地球质量时,就会进入「失控气体吸积」(runaway gas accretion)阶段。 此时,行星的重力会迅速拉拢周围的氢气和氦气。 一颗相当于40倍地球质量的行星,极有可能集聚了惊人的大量气体──但TOI-849b现在的样子并非如此。

哈立德说道:「我们已经可以说像TOI-849b这样的行星相当罕见,但无论如何,它们的确存在。 而我们得查清楚它们是如何形成的,原因又是什么。 」

有一种可能性,是TOI-849b在母恒星周围的气体中清出一道缺缝,耗尽了可聚集的物质而停止继续成长。 另一种可能性是TOI-849b的前身是颗不知为何失去了大气层的巨行星,或许是因为它与母恒星的距离太近,但如果真的是这样,行星科学家仍不清楚这颗行星是如何在数十亿年内抛掉相当于数百倍地球质量的气体。

第三种可能性是这颗行星曾在早期遭遇了大灾难,比如与另一颗尺寸差不多的行星种子相撞,两者的岩质行星内核都膨大并抛去了大气层。

「我认为关键的线索在于TOI-849b处在海王星沙漠区,暗示这颗天体的历史非常特殊。 」阿姆斯特朗说道:「对我而言,这代表行星形成可能还有更多与众不同的方式。 」




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