天文學家發現大行星在數十億年縮水至超級地球的證據


夏威夷大學天文系研究生特拉維斯·伯格(Travis Berger)領導的一組天文學家發現,海王星大小的行星數十億年內縮水成超級地球。

通過研究太陽系中行星的百年歷史,天文學家想知道行星如何形成和演化成為我們今天觀察到的行星。過去十年中最令人驚訝的發現之一是行星族譜中發現了一個新分支,這個分支將比地球稍大的行星(稱為:超級地球)與比海王星稍小的行星(亞海王星)隔開。目前尚不清楚這些不同大小的行星是如何形成的,因為我們觀測到只是每個行星系統數十億年壽命中的一瞬間。

天文學家無法實時觀察行星的演化,因此他們分析行星的數量以推斷它們的形成和演化方式。伯格團隊利用來自美國太空總署刻卜勒(Kepler)太空望遠鏡和歐洲太空總署蓋亞(Gaia)任務的觀測結果,發現行星形成和演化難題的另一部分:隨著行星受到來自它的恆星的強光轟炸,在數十億年內它們逐漸失去大氣層。

伯格說:「在數十億年的時間尺度上,行星大氣層的損失顯示,這些行星即使在年老時也會失去質量。我們的主要發現之一是行星尺寸的縮小比以前想像時間的要長。」

美國太空總署的刻卜勒太空望遠鏡任務,通過長期注視天鵝座附近的一個天空,大約四年來搜尋系外行星,從我們的銀河系中數十萬顆恆星中檢測出微小的,有規則的亮度轉暗變化。傾角的大小對應於該行星與它的宿主恆星對比的相對大小。因此,要確定行星的實際大小,首先必須測量恆星的大小。

歐洲太空總署蓋亞任務提供基本數據,是測量刻卜勒發現系外行星母星的大小、視差等資料。人眼使用視差來測量物體的距離,從而使我們能夠感覺到遠近和深度。同樣,天文學家使用視差進行天文尺度的恆星距離測量,這反過來又有助於測量恆星的大小。需要距離數據以區分較近的小恆星和較遠的大恒星。大小和恆星顏色的組合還可以使天文學家確定恆星的相對年齡。

夏威夷大學研究團隊使用蓋亞數據對恆星大小的限制來修訂它的系外行星大小估計,並與恆星顏色數據結合起來以確定行星所在恆星的年齡。然後,他們比較了刻卜勒發現的二千六百多顆行星上恆星年齡的影響。一些行星,特別是那些接收到比太陽明亮一百五十倍的行星,由於受到母恆星大量的熱量和光淹沒,在數十億內它們失去了大氣層。

伯格說:「雖然天文學家早就預言行星的大小會隨著年齡的增長而縮小,但我們不知道這種現像是否會在數十億年的時間尺度上發生。我們現看到的行星大小在十億年的時間尺度上變化。事實證明,存在著一條進化途徑,即高度照亮的亞海王星大小的行星,會縮水成為超地球大小的行星。」

將來,可以對美國太空總署刻卜勒延展任務和凌日系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,縮寫為 TESS)任務發現的系外行星進行類似的工作,以便更精確地解決大氣損失的時間表。

【圖、文:節譯自夏威夷大學2021年1月11日新聞公佈】研究全文刊登在2020年8月12日出版的《天文學報》

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