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一个比地球大三倍的“超级地球”:或可以帮助揭开行星形成的谜题

2018-11-20 | 人围观 | 评论:

离太阳最近的一颗恒星显然拥有一颗巨大而冰冷的行星。

天文学家已经找到了有力的证据,证明了一个质量是地球3.2倍的冰冻行星正在环绕着巴纳德星运行。巴纳德星是一颗昏暗的红矮星,距离太阳只有6光年。除了大约4.3光年远的三星半人马座阿尔法星系之外,巴纳德星是太阳最近的邻居。

被称为巴纳德星b的这颗新发现的行星,目前仍是候选行星。但发现这颗行星的研究人员相信,这颗外星行星最终将得到证实。

加泰罗尼亚空间研究所和西班牙空间科学研究所的Ignasi Ribas在一份声明中说:“经过非常仔细的分析,我们有99%的把握相信这颗行星就在那里。”

“但我们还会继续观察这个高速运转的恒星,来排除恒星亮度的自然变化伪装成一个星球的可能性,尽管我们认为这个可能性比较小。”Ribas是一项新研究的主要作者,该项研究宣布发现了巴纳德星b,研究发表在11月14日的《自然》杂志上。

艺术家对巴纳德星的“超级地球”表面的假想图。来源:M. Kornmesser/ESO

如果巴纳德星b得到证实的话,它也不会是离地球最近的系外行星。这一称号由近似地球大小的比邻星b所拥有,它围绕着比邻星轨道运行,比邻星是半人马座阿尔法星三合星之一。

美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的开普勒太空望远镜(Kepler space telescope)显示,在整个银河系中,小行星非常普遍。比邻星b和巴纳德星b这些两个行星也共同有力地表明这样的世界在“我们的邻居”中也十分常见,研究的合作者、华盛顿卡内基科学研究所地磁系的Johanna Teske说:“这太令人兴奋了。”

接近太阳系的邻居

巴纳德星以美国天文学家E.E.巴纳德的名字命名。在地球上空,没有任何一颗恒星比巴纳德星移动得更快,它每180年会移动大约相当于满月的宽度。

这种无出其右的明显运动是巴纳德星与太阳近距离和其相对太阳的高(但不是创纪录的高)速度造成的结果,它的速度为每小时31万英里(50万公里/小时)。

巴纳德星每天都在向我们靠近:大约一万年后,这颗红矮星将会比半人马座阿尔法星系离我们更近。在那个时候,巴纳德星和太阳仅会隔3.8光年。

巴纳德星的年龄大约是地球太阳的两倍,质量是地球太阳的六分之一,亮度只有地球太阳的3%。因为巴纳德星太暗了,它的“宜居带”(行星表面可能存在液态水的距离范围)距离恒星非常近。事实上,研究人员估计这宜居带离恒星只有0.06到0.10天文单位。(一个天文单位等于地球到太阳的距离,大约9300万英里,即1.5亿公里。)

当然了,可居住区域这个概念是一个棘手的问题,要真正衡量一个世界的宜居性,需要对其大气成分和厚度等特性有很强的深入了解。而对于系外行星来说,这样的信息尤其难获得。

艺术家对新发现的“超级地球”行星和它的主星巴纳德星假想图。来源:M. Kornmesser/ESO

长时间的搜索

巴纳德星长期以来一直是系外行星搜寻者的目标,但他们此前的搜寻都徒劳无功。

但新的发现也并不容易:Ribas和他的团队分析了大量新旧的数据,最终才发现了巴纳德星b。

研究人员在寻找这个行星的时候使用了“径向速度”的方法,这种方法寻找由轨道行星的引力拖曳引起的恒星星光变化来寻找行星。从地球上看,这样的拖曳会使恒星轻微地摆动,使其光线时而向光谱的红色波长移动,时而向蓝色波长移动。

Ribas在一份声明中说:“我们使用了7个不同仪器的观测数据,历时20年,这是迄今为止用于径向速度方法研究的最大、时间跨度最广的数据库之一。所有数据的总共产生了771个测量数据——这意味着大量的信息!”

研究小组成员说,以前从未使用过径向速度法在如此遥远的轨道上寻找如此小的行星。(巨大,并且距离其恒星近的行星对它们的宿主恒星影响会更大,因此恒星的变化会更大、更容易察觉。)

这七个仪器分别是位于智利欧洲南方天文台(ESO)拉希拉天文台的高精度径向速度行星搜索器(HARPS);位于智利ESO帕拉纳天文台的超大望远镜上的紫外线和视觉梯级光谱仪;位于加那利群岛的伽利略国家望远镜;位于夏威夷的凯克10米望远镜上的高分辨率阶梯光谱仪;在智利拉斯坎帕纳斯天文台的麦哲伦6.5米望远镜上的卡内基研究所行星探测器摄谱仪;加州大学利克天文台2.4米望远镜的自动行星探测器;西班牙卡拉尔阿尔托天文台的CARMENES。

研究人员还发现了该系统中另一颗潜在行星的迹象,它的轨道距离比巴纳德星b要远,而且要远得多,其公转周期为6600地球日,Teske说:“但第二个信号太弱了,不足够被认为是候选行星。

“数据还远远不够,”她说。

距离太阳最近的恒星的相对距离图示。巴纳德星是离我们最近的第二颗恒星,也是离我们最近的独立恒星。来源:IEEC/Science-Wave-Guillem Ramisa

一个寒冷的“超级地球”

巴纳德星b至少比地球大3.2倍,这样的体积使其成为“超级地球”,被称得上“超级地球”的这类行星比地球大得多,但比海王星和天王星等“冰巨星”小得多。

根据这项新研究,这颗新发现的行星距离它的主星0.4天文单位,每233地球日完成一次公转。

这个轨道距离类似于我们太阳系中被辐射的水星。但是,由于巴纳德星太暗,这颗潜在的行星就位于该恒星系统的“雪线”附近——这一区域是易挥发物质(水)可以凝结成固体(冰)的区域。

美国国家科学技术研究委员会天文与空间物理研究所科学家、阿根廷布宜诺斯艾利斯大学研究人员罗德里戈·迪亚兹(Rodrigo Diaz)在研究后面的一篇评论文章中提到:“到目前为止,在这么遥远的距离上我们只发现过恒星的巨行星,”这篇文章同样也发表在《自然》杂志上。

“作者在恒星雪线附近发现了一颗低质量的行星,这对这种行星的形成模型造成了很大的限制,”迪亚兹补充说,他没有参与这项新研究。

如果巴纳德星b确实存在的话,我们熟悉的生命形式不太可能可以居住在那里,至少不能居住在其行星表面。研究小组成员还说,那颗潜在行星也一样,它可能非常冷,表面温度大约是零下275华氏度(零下170摄氏度)。

迪亚兹写道,额外的径向测量不太可能可以帮助确认巴纳德b星的存在。但他补充说,对恒星位置的超精确测量,比如欧洲航天局(European Space Agency)的盖亚(Gaia)航天器目前正在进行的测量,可能会在未来几年完成这项工作。

“更令人兴奋的是,将在2020年代投入使用的下一代地表仪器也应该能够直接成像并测量报告行星的光谱,”Diaz写道。

他补充说:“利用这个光谱,我们可以推断出行星大气的特征,比如它的风和自转速度。因此,这颗非凡的行星为我们解开行星形成和进化之谜提供了关键的线索,并且它可能是第一个被详细探测大气层的低质量系外行星。”

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