20191220哈伯太空望遠鏡新的觀測解開「超級泡芙」行星之謎

2019/12/20 103 天文探索 , 系外行星 , 太空望遠鏡 ,

「超級泡芙(Super-Puffs)」聽起來像一種新的早餐麥片。但這實際上是獨特而罕見且具有泡芙密度的年輕系外行星綽號。在我們的太陽系中沒有類似這樣的天體。


▲ 此圖描繪了類似太陽的恆星克卜勒51和其三顆巨型行星,這是 NASA 的克卜勒太空望遠鏡在 2012–2014 年間發現的。這些行星大約都相當於木星的大小,但質量僅佔木星質量的一小部分。根據哈伯太空望遠鏡的最新觀測,這意味著行星的密度極低,更像是保麗龍(Styrofoam),而不是岩石或水。行星的形成可能離恆星更遠,並持續向內遷移。現在,他們膨脹的氫/氦氣大氣層正在被釋放至太空中。最終,可能會留下更小的行星。這個圖正確繪製了背景星空,就如同我們沿著銀河系獵戶座的螺旋臂從克卜勒51約 2,600 光年的距離向太陽注視時所看到的那樣,但是,太陽光線太微弱,無法在此模擬的裸眼影像中看到。(圖片來源:NASA, ESA, and L. Hustak, J. Olmsted, D. Player and F. Summers (STScI)

來自 NASA 哈伯太空望遠鏡的新數據為克卜勒51系統中的兩個超級泡芙行星的化學性質提供了第一個線索。這個系外行星系統實際上擁有三顆超級泡芙行星圍繞著一顆類似太陽的年輕恆星運行,是 2012 年由 NASA 的克卜勒太空望遠鏡發現的。但是直到 2014 年,這些行星的低密度才被確定,令許多人感到驚訝。

哈伯太空望遠鏡的最新觀測結果使一組天文學家能夠對這些天體的質量和大小進行估算,從而獨立地證實了它們的「泡芙」性質。儘管它們的質量不超過地球質量的幾倍,但它們的氫/氦氣卻是如此膨脹,幾乎相當於木星的大小。 換句話說,這些行星看起來可能像木星一樣大而笨重,但質量卻輕了大約一百倍。

他們的大氣如何向外膨脹以及為什麼向外膨脹尚不清楚,但是此特徵使超級泡芙系外行星成為大氣研究的主要目標。研究小組使用哈伯太空望遠鏡尋找了稱為克卜勒51b(Kepler-51b)和 克卜勒51d(Kepler-51d)的行星大氣中成分的證據,尤其是水。哈伯觀察行星經過恆星前的過程,目的是觀察日落時的紅外光。天文學家可由此推斷出大氣中紅外光吸收的光量。這種觀察使科學家可以尋找行星化學成分(例如水)的明顯跡象。

令哈伯團隊驚訝的是,他們發現兩個行星的光譜都沒有任何明顯的化學特徵。他們將此結果歸因於大氣層中高濃度的粒子雲。科羅拉多大學博爾德分校(The University of Colorado, Boulder)的傑西卡·利比·羅伯茨(Jessica Libby-Roberts)說:「這完全出乎意料」。「我們曾計劃觀察大型吸水性特徵,但它們並不存在。我們被蒙蔽了!」。但是,與地球的水氣雲層不同,這些行星上的雲可能由鹽晶體或光化學煙霧組成,就像土星最大的衛星泰坦上發現的一樣。


▲ 此插圖描繪了類似太陽的恆星克卜勒51的三個巨型行星與我們太陽系中的某些行星相比。這些行星大約都相當於木星的大小,但僅佔木星質量的很小一部分。NASA 的克卜勒太空望遠鏡在 2012-2014 年間探測到這些行星在其恆星前通過時的陰影。沒有直接成像。因此,此圖中開普勒51行星的顏色是虛構的。(圖片來源:NASA, ESA, and L. Hustak and J. Olmsted (STScI)

這些雲層為團隊提供了洞察力,幫助他們了解克卜勒51b和51d如何與太陽系以外的其他低質量、富含氣體的行星堆疊在一起比較。當將超級泡芙行星的平面光譜與其他行星的光譜進行比較時,該團隊能夠支持以下假設:雲/霾形成與行星的溫度有關 - 行星越冷,則雲量就越大。

研究小組還研究了這些行星實際上根本不是超級泡芙的可能性。行星之間的引力使它們的軌道周期略有變化,並且從這些時間效應中可以得出行星質量。透過克卜勒太空望遠鏡觀測到行星從恆星前方通過的時間變化(稱為「過境事件」),研究小組更好地侷限了行星質量和系統的動態特性。他們的結果與先前對克卜勒51b的測量結果一致。但是,他們發現克卜勒51d的質量比以前想像的要輕一些(或者說它們更浮腫)。

最終,研究小組得出結論,這些行星的低密度部分是系統年輕的結果,與我們 46 億年的太陽相比,它只有5億年的歷史。模型表示這些行星是在恆星「雪線(Snow line)」之外形成的,雪線是冰質物質可以生存的可能軌道區域。然後,行星像一列有軌電車一樣向內遷移。

現在,隨著行星更靠近恆星,它們的低密度大氣層將在未來數十億年內蒸發進入太空。 利用行星演化模型,研究小組得以證明最接近恆星的克卜勒51b行星,有一天(十億年後)看起來會像海王星小而熱的版本,這是一種相當合理的行星,在銀河系中是很常見的。看起來距恆星更遠的克卜勒51d則將繼續是低密度的奇球,儘管它會收縮並損失少量大氣。科羅拉多大學博爾德分校(The University of Colorado, Boulder)的紮克·伯塔·湯普森(Zach Berta-Thompson)說:「該系統為測試早期行星演化的理論提供了一個獨特的實驗室」。

好消息是,我們確定這兩個行星的大氣成分並沒有全盤丟失。NASA 即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡,它對更長的紅外波長特別敏感,因此可能能夠穿過雲層。未來用這架望遠鏡進行的觀察可以提供有關這些超級泡芙行星實際組成的見解。在那之前,這些行星仍然是一個甜蜜的謎。

✎ 參考資料 · References

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