天文學家從哈勃太空望遠鏡眼見一顆巨大的系外行星如何成長


哈勃太空望遠鏡的研究人員首次通過使用它獨特的高靈敏度紫外線,捕獲落在系外行星上極熱氣體輻射,從而直接測量PDS 70b的質量增長率。這顆木星大的系外行星軌道在大約等同天王星到太陽的同樣距離。這顆行星大約在五百萬年前開始形成,可能處於其形成過程的後期。研究人員的發現開闢一種新方式來研究行星的形成,可以幫助其他天文學家進一步了解巨型行星如何在遙遠的太陽系中生長。

美國德州大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)的布倫丹·包勒(Brendan Bowler)說:「我們只是不太了解巨型行星是如何生長。這個行星系統為我們提供首個機會來見證物質掉落到行星上。我們的結果為這項研究開闢了一個新領域。」

到目前為止已經確認了四千多顆系外行星,只有十五顆系外行星能夠直接拍攝照片。系外行星如此之遙,而且很小,它們只是最佳照片中的點。研究小組採用哈太空勃望遠鏡直接拍攝這顆行星最新技術,為進一步的系外行星研究開闢一條新途徑,尤其是在行星的形成時期。

這顆巨大的系外行星編號PDS 70b,環繞橙色矮星PDS 70運行,已知這顆行星在兩個巨大,由塵埃和氣體環繞的恆星盤中形成了兩顆行星。該系統位於距半人馬座,距離地球三百七十光年。

德州大學奧斯汀分校天文系博士後研究完周一凡(Yifan Zhou)說:「這個系統如此令人興奮,因為我們可以目睹一顆行星的形成。這是哈勃太空望遠鏡曾經直接拍攝過的最年輕的真實行星。在一個五百萬年的年輕時代,這顆行星仍在收集物質並積累質量。 」

周一凡指出,哈勃太空望遠鏡對紫外線的敏感度對落入行星上的極熱氣體產生的輻射具有獨特的樣貌。哈勃太空望遠鏡的觀測使我們能夠估算出行星獲得質量的速度。

紫外線觀測增加對這顆行星的研究方法,使該團隊可以直接測量這顆行星的質量增長率。在大約五百萬年的時間,體積已經達到木星質量的五倍。目前測得的吸積率已經下降到這樣的程度:如果該率再保持一百萬年不變,那麼行星只會增加大約木星質量的百分之一。

周一凡強調,這些觀察只是時間上的一個快照,需要更多的數據來確定行星增加質量的速率是增加還是減少。我們的測量結果顯示該行星處於它的形成過程的末期。

年輕的PDS 70系統充滿了原始塵埃盤,可為整個系統中的行星生長提供燃料。行星PDS 70b由自身的氣體和塵埃盤包圍,氣體和塵埃盤正在吸取來自更大的恆星盤物質。研究人員假設磁場線從它的外行星盤一直延伸到系外行星的大氣層,並且正在將物質集中在行星的表面。

周一凡說:「如果這種物質從環狀行星盤上進入,會引起局部熱點。這些熱點可能比地球溫度高十倍。發現這些補充的熱點會發出強烈的紫外光。

這些觀測結果提供了四十六億年前太陽系周圍的巨型氣態行星是如何形成。木星可能在周圍下落的物質盤上堆積。它的主要衛星也由該行星盤中殘留物的形成。

研究團隊的挑戰是要克服母恆星的光芒。PDS 70b的軌道與天王星和太陽的距離大致相同,但在紫外線波長下,母恆星的光度比行星的光度高三千倍。對圖像進行處理時,需要非常小心地去除恆星的眩光,只留下行星發出的光芒。因此,他需要將哈勃太空望遠鏡觀測中行星與恆星的距離限制提高了五倍。

【圖:美國太空總署;文:節譯自物理學機構網頁】 研究全文刊登在2021年4月29日出版的《天體物理學報》

PDS = Protoplanets Disk Sculpting = 原行星盤雕刻星表

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