凌日系外行星巡天衛星在年輕恆星流中發現新世界
一隊國際天文學家小組利用來自美國太空總署的凌日系外行星巡天衛星（Transiting Exoplanet Survey Satellite ，簡稱 TESS）的觀測結果，發現三顆比地球大的熾熱系外行星，它們繞著比太陽的更年輕稱為TOI451恆星旋轉。該系統位於最近發現的雙魚座-波江座恆星流之中，這些聚集的恆星年齡不到我們太陽系的百分之三，但恆星流卻延伸到天空的三分之一。
這些行星是在2018年10月至2018年12月由凌日系外行星巡天衛星拍攝的影像中發現。TOI451及它的行星後期研究包括使用美國太空總署的史匹哲（Spitzer）太空望遠鏡於2019年和2020年進行的觀測，該望遠鏡已經退役。美國太空總署的近地天體廣域紅外線巡天探測衛星（Near Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer，簡稱 NEOWISE）的存檔紅外數據，顯示該系統保留了很多的灰塵和岩石碎片星盤資料。其它觀測結果發現，TOI 451可能有兩顆遙遠的恆星伴星，它們彼此圍繞在行星之外運行。
這項研究的負責人，美國新罕布什爾州（New Hampshire）漢諾威市（Hanover）達特茅斯學院（Dartmouth College）的物理和天文系副教授伊麗莎白·牛頓（Elisabeth Newton）說：「這個系統吸引了很多天文學家，因為它只有一億二千萬年的歷史，距離我們只有四百光年，可以對這個年輕的行星系統進行詳細觀測。而且由於有三顆行星位於地球大小的兩到四倍之間，因此它們成為檢驗行星大氣如何形成的理論，特別有希望得到突破性的發展。」
當我們銀河系的重力將星團或矮星系撕裂時，就會形成恆星流。個別恆星沿著星團的原始軌道移出，形成一個逐漸分散的拉長群組。
2019年，維也納大學的史提芬·邁恩格斯特（Stefan Meingast）領導的一個研究團隊，利用歐洲太空總蓋亞（Gaia）巡天數據發現了雙魚座-波江座星流，該星流以含有最多數量恆星的星座命名。星流橫跨十四個星座，長約1一千三百光年。但是，最初確定星流的年齡比我們現在認為的年齡大得多。
在2019年晚些時候，紐約市哥倫比亞大學的積臣·寇蒂斯（Jason Curtis）領導的研究人員分析了數十個星流成員的凌日系外行星巡天衛星數據。年輕的恆星比老恆星旋轉得更快，而且它們的星點也往往比較突出，像黑子一樣較暗，溫度較低。當這些暗點轉到我們的視線時，它們會使凌日系外行星巡天衛星測量的恆星亮度產生微小變化。
凌日系外行星巡天衛星的測量結果，顯示出流星群組中星點和快速旋轉的壓倒性證據。根據這個結果，寇蒂斯和他的團隊發現這條星流只有一億二千萬年的歷史，與著名的畢宿星團（又稱七姊妹星團）相似，只以前的估計年齡的八分之一。雙魚座-波江座星流的質量、年齡和近距離，使到它們成為研究恆星和行星形成與演化的基礎實驗室。
由於凌日系外行星巡天衛星幾乎是全天覆蓋，當我們確定星流時，已經可以進行測量以支持搜索該星裡的系外行星了。美國太空總署系外行星檔案館的負責人指出，凌日系外行星巡天衛星數據將繼續使我們在未來幾年內，突破對系外行星統的了解。
年輕的TOI 451星，也稱為CD-38 1467，位於波江座，距離地球約四百光年。它的質量是太陽質量的95％，但體積小了12％，稍為暗了一點，只有太陽的65％能量。TOI 451每5.1天自轉一次，比太陽快五倍以上。
凌日系外行星巡天衛星通過掩星觀測中的凌日法來發現新的系外行星，從我們的角度來看，這是行星在它的母恆星前方經過時，發生的輕微而規則的變暗。在凌日系外行星巡天衛星數據中可以明顯看出來自這三顆行星的運行。牛頓的團隊從史匹哲太空望遠鏡獲得測量結果，這些測量結果支持凌日系外行星巡天衛星的發現，並幫助排除可能出於其它原因的解釋。其它後續觀測來自拉斯康柏瑞斯（Las Cumbres）天文台和澳洲的珀斯系外行星觀測望遠鏡。
即使是TOI 451最遙遠的行星，它的軌道運行距離也比水星接近太陽的軌道快三倍，因此，所有這些世界都是非常炎熱和荒涼。溫度估計值範圍從最內層的行星約攝氏一千二百度，到最外層的行星約攝氏四百五十度。
TOI 451 b每1.9天公轉一次，大約是地球大小的1.9倍，它的估計質量範圍是地球的2到12倍。下一顆行星TOI 451 c每9.2天公轉一次，大約是地球的3倍大，並且保持地球質量的3到他倍。TOI 451 d是這個恆星系統中最遙遠和最大的行星，每16天公轉一次，大小是地球的4倍，質量是地球的4到19倍。
天文學家希望，儘管接近母恆星產生強烈的熱量，但與它們一樣大的行星仍會保留許多大氣層。到行星系統達到TOI 451年齡時，大氣如何演變的不同理論預測各種各樣的特性。觀測穿過這些行星大氣層的星光，可以為研究不同發展階段提供了機會，並且可以幫助限制當前理論模型的參數。
通過測量以不同波長穿透行星大氣的星光，我們可以推斷出它的化學成分以及雲層或高空霧霾的存在，TOI 451的行星，為哈勃太空望遠鏡和即將發射升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡提供了進行此類研究的絕佳目標。
廣域紅外線巡天探測衛星的觀測結果顯示，該系統在波長在12和24微米的紅外光中異常亮，雖然人眼看不見，這表示存在碎片行星盤，岩石狀的小行星體碰撞並碎裂磨成粉塵。儘管牛頓和她的團隊無法確定行星盤的範圍，但她們將其想像成一個由岩石和塵埃組成的彌散環，其中心距母恆星的距離與木星距太陽的距離一樣遠。
研究人員還研究了一顆淡淡的鄰近恆星，該恆星在凌日系外行星巡天衛星影像中距離TOI 451約兩個像素。根據蓋亞（Gaia）的數據，牛頓的團隊確定這顆恆星為重力束縛的伴星，位於距TOI 451較遠的位置，因此它的光線需要27天才能到達那裡的行星。實際上，研究人員認為，該伴星很可能是由兩個M型矮星構成的雙星系統，每顆恆星約佔太陽質量的45％，但僅發射太陽能量的2％。
【圖、文：節譯自美國太空總署2021年2月13日新聞公佈】研究全文刊登在2021年1月14日出版的《天文學報》
TOI = TESS Objects of Interest = Transiting Exoplanet Survey Satellite Objects of Interest = 凌日系外行星巡天衛星感興趣對象星表 = 凌日系外行星巡天衛星目標星表
CD = Cordoba Durchmusterung = 科多瓦星表
