畫家對圍繞紅矮星運行的蓬鬆行星的想象。

如果系外行星的研究是可信的,銀河系可能就像某種幻想中的糖果樂園。

天文學家說他們發現了一個與棉花糖密度相似的系外行星。他們說,這是迄今為止發現的圍繞紅矮星運行的最蓬鬆的系外行星。

這很重要。這意味著我們可以發現具有大量氣體包層的世界緊密圍繞著小型、劇烈波動的矮星運行,天文學家以前曾懷疑這可能會剝奪任何靠近軌道的行星的大部分大氣層。

由於大氣層被認為是使生命形成和繁衍的行星關鍵特徵之一,這將對我們了解圍繞紅矮星運行的行星之可居住性產生影響。

卡內基科學研究所地球與行星實驗室的行星天文學家 Shubham Kanodia 說:「傳統上認為,圍繞紅矮星的巨行星很難形成。到目前為止,這只是從多普勒調查的小樣本中觀察到的,這些樣本通常是在離這些紅矮星更遠的地方發現巨行星。而我們現在還沒有足夠大的行星樣本能找到距離近的氣體行星。」

什麼是紅矮星

到目前為止,紅矮星是銀河系中數量最多的恆星。它們非常小、低溫、低亮度——事實上,儘管它們佔銀河系所有恆星的 73% 左右,但因為亮度太低以至於肉眼無法看到任何一顆。

因為它們很小,所以它們的燃燒速度更慢,溫度也比太陽等恆星低,這意味著它們的壽命會更長。我們太陽的壽命預估約為 100 億年,而紅矮星的壽命預計可達數萬億年。這種長壽,再加上紅矮星的數量多,表示生命如果要出現在某個地方,可能會出現在圍繞著紅矮星運行的行星上。

但是紅矮星也可能波動的異常劇烈,它會用強大的耀斑猛烈照射它們周圍的空間,當照射到這些耀斑,會使近距離軌道上的任何系外行星呈無菌狀態,並且大氣層被剝奪。此外由於這些恆星非常低溫,為了使系外行星具有我們所知道的有利於生命的溫度,該行星的位置還需要在耀斑能照射到的範圍內。所以,你知道,這是個問題。

像棉花糖般的氣體系外行星

但也許有另一種可能,如同這個新發現的世界所暗示的。這個系外行星被稱為 TOI-3757b,是一顆氣態巨行星,在大約 580 光年外的御夫座圍繞一顆紅矮星運行。

TOI-3757b 是使用 TESS 太空望遠鏡探測到的,該望遠鏡通過探測行星在恆星前方經過時引起的規律性光線下降而發現發現系外行星。如果你知道這顆恆星有多亮,那麼有多少光被阻擋就可以知道這顆系外行星有多大。由此,我們知道 TOI-3757b 比木星大一點。

然後,為了獲得該系外行星的質量,研究人員尋找該恆星光線的變化,這些變化顯示了系外行星對其施加的引力。由於引力與質量有關,這使我們得出它大約有 85 個地球的質量。

根據背景資料,木星的質量約為 318 個地球,平均密度為 1.33 克/立方厘米。 TOI-3757b 的平均密度為 0.27 克/立方厘米。那是一顆極其蓬鬆的系外行星——蓬鬆到以至於不清楚它是如何在離它的恆星如此近的地方形成的:它每 3.43 天完成一個軌道。

Kanodia 和他的同事認為可能有兩個因素造成。首先,氣態巨行星形成時有岩石(固體)核心,氣體在其周圍聚集形成一個厚實、擴展的大氣層。由於與其他擁有氣態巨星的紅矮星相比,這顆紅矮星的重元素含量較低,可能是其岩石核心的形成速度慢了一點,這會延遲氣體的聚集並影響到行星的密度。

其次, TOI-3757b 的軌道似乎略呈橢圓形,這代表它與恆星的距離不相等。也許當它距離接近時,大氣層會升溫並膨脹。

其他天文學家認為,膨脹的系外行星可能會有擴展的星環系統,如土星; 但 Kanodia 和其他研究人員發現,TOI-3757b 離它的恆星太近,無法維持穩定的星環系統。因此它可能只是一個非常蓬鬆的大氣層。

該研究團隊希望能找到並研究其他類似的棉花糖世界,以幫助他們理解這些星球是如何在一個它們應該很難做到的地方形成和生存的。

Kanodia 説:「發現更多這樣的巨行星系統(它曾經被認為在紅矮星周圍極為罕見)是我們了解行星如何形成的目標的一部分。」

該團隊的研究已發表在 The Astronomical Journal 上。

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參考資料:

  1. Starr, M., (21 October 2022). A Fluffy ‘Marshmallow’ World Has Been Discovered With Incredibly Low Density. ScienceAlert
  2. Kanodia, S., Libby-Roberts, J., Cañas, C., Ninan, J. P., Mahadevan, S., Stefansson, G., Lin, A. S. J., Jones, S.,Monson, A.,Parker, B. A., (2022). TOI-3757 b: A Low-density Gas Giant Orbiting a Solar-metallicity M Dwarf. The Astronomical Journal
  3. 圖片來源:https://noirlab.edu/public/images/noirlab2225a/ (NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine/M. Zamani)
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