瑞士天文學家發現有六顆軌道共振的系外行星系統


歐洲太空總署系外行星特性探測衛星(CHaracterising ExOPlanets Satellite,簡稱 CHEOPS)探測到在距離地球二百光年的位置,一顆名為TOI(TOI = TESS Objects of Interest = Transiting Exoplanet Survey Satellite Objects of Interest)的K型主要序列恆星TOI-178,擁有特殊的行星系統。

瑞士伯恩大學(University of Bern)太空與適居中心的天體物理學家阿德里安·勒勒(Adrian Leleu)博士和他的研究團隊研究TOI-178時,似乎有兩顆行星以大致相同的距離圍繞它運行,但是事實證明這是錯誤。實際上一共有六顆系外行星環繞著這顆小恆星運行,而六顆中的五顆鎖定在一些特別的共振軌道。

恆星系統中有五顆行星處於不尋常的軌道共振狀態,意味著它們圍繞恆星的軌道表現出重複的模式。這種特性使它們成為有趣的研究對象,並且可以告訴我們很多有關行星如何形成和演化的資訊。

研究小組的初步觀測,起初以為只有兩顆行星,沒有想到其中五顆行星以共振方式運動。進一步的觀測發覺,系統中正在發生其它事情,需要進一步的觀察。發現不止兩顆行星以距離大致相同方式環繞母恆星旋轉,而是有多顆行星以非常特殊的方式運行。

TOI-178的軌道共振類似我們太陽系中一個典型的軌道共振系統。其中包括木星的四顆伽利略衛星,它們是木衛一(Io)、木衛二(Europa)和木衛三(Ganymede)。木衛一每環繞木星公轉四次,木衛三就公轉一次,而木衛三每公轉四次木衛二就公轉一次。但是TOI-178周圍的行星之間的關係要復雜得多。

TOI-178的五顆系外行星處於18:9:6:4:3的共振鏈中。鏈中的第一顆行星完成十八次公轉,第二顆行星完成九次公轉,如此類推。只有離恆星最近的行星不在這個共振鏈之中。

為了使一個系統以一種有序且可預測的方式繞它的恆星運行,必須在該系統中有相對固定條件。任何巨大的影響或星球的遷徙都會破壞它的穩定性。伯恩大學天體物理學副教授揚·阿里伯特(Yann Alibert)博士解釋,這個系統的軌道排列得井井有條,表示該系統自誕生以來,經過相當緩慢地演化。

在我們的太陽系中,內行星是岩石行星,而小行星帶以外的行星則不是。它們是氣態的。這是我們可能會以為太陽系代表某種規範的情況之一。但是TOI-178系統卻大不相同。氣態和岩石行星沒有像太陽系統那樣排列。

瑞士日內瓦大學的博士後研究員彌敦·哈拉(Nathan Hará)表示,似乎旁邊有一顆密度與地球一樣高的行星,緊貼著一顆海王星大小,非常蓬鬆的行星,它的密度是海王星的一半,然後又有一顆海王星密度的行星。這種形式不是我們見慣的行星次序。勒勒博士指出:軌道運動的節奏和諧與無序密度之間的這種對比無疑挑戰了我們對行星系統形成和演化的理解。

通過使用具有不同方法和功能的多種儀器,研究團隊能夠詳細描述這個系統的特徵。系統中最內層的行星運動最快,與其它行星沒有共振。它僅用兩天的時間就完成公轉。最慢的行星的移動速度是最內層行星的十倍。行星的大小範圍是地球的一到三倍,質量範圍是地球質量的倍半到三十倍。

這次發現對天文學家來說意味著更多的工作。行星異常的軌道共振和位置意味著它們需要重新思考我們有關行星和太陽系的形成和演化的一些理論。

【圖、文:節譯自瑞士伯恩大學2021年1月25日新聞公佈】研究全文將會刊登在歐洲南方天文台出版的《天文學和天體物理學》期刊

請按左下角「外部連結」觀看有關TOI-178行星系統影片

https://youtu.be/-WevvRG9ysY

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