天文學家首次於三百光年外的系外行星發現同位素


天文學家在一顆名為TYC 8998-760-1b的氣態系外行星周圍的薄霧中,檢測到另一種碳的形式,碳-13,這是首次在距離地球三百光年的系外行星中發現的同位素,該發現顯示這顆系外行星是在距離母恆星極其遙遠的寒冷地帶形成。

TYC 8998-760-1b屬於較為罕見的系外行星,天文學家於2019年使用直接影像法發現該天體,2020年確認它的行星身分,與恆星比較之下,這顆行星非常昏暗,所以我們通常透過檢測它們對主星的影響來識別它們,通常是通過重力作用的徑向速度法,或者是它們從恆星前面經過時使恆星的光線逐漸變暗的凌日法。

這些技術適用於離恆星較近的行星,但TYC 8998-760-1b繞恆星運行的距離相當遠,長達一百六十個天文單位,與此相對,海王星繞太陽公轉的距離約為三十個天文單位。這顆系外行星也是個龐然大物,質量約為木星的十四倍,體積則是木星的1.4倍,這意味着它反射的星光相對明亮。因此,研究小組仔細觀測這顆行星的反射光,看看它是否能提供什麼特別的資料。

天文學家利用攝譜儀取得該天體的光譜資料,當特定波長的光被元素吸收時,就會出現光譜中的黑線,研究人員發現,TYC 8998-760-1b吸收的光波長與碳13的光譜暗線一致,可能主要與一氧化碳氣體有關。碳-12是最常見的穩定元素,而它的同位素共有十五種,其中碳13有6個質子和6個電子,但有7個中子,這很重要,因為它們的形成方式較為不同。

在TYC 8998-760-1b上,研究人員預計會有一定數量的碳,而他們在這顆系外行星的大氣中發現碳13的含量是預期中的兩倍,在如此遙遠的距離,低溫環境可能造就更多的碳-13,導致這顆行星的大氣中這種同位素的比例更高。天文學家推測該星體的氣形成位置應該在一般的一氧化碳雪線更外面。

任何在遠離恆星的地方形成的系外行星都會包含一些一氧化碳,由於太陽系中已知的行星距離太陽比該天體更近,所以它們在形成時不會像TYC 8998-760-1b那樣含有那麼多的一氧化碳冰。但是,在太陽系的行星中也有類似的同位素現象,海王星和天王星的氘含量比木星高,氘是一種氫的同位素,這是由於天王星及海王星的形成位置遠超過水的雪線。

對於其它的許多系外行星來說,探測大氣中的同位素幾乎不可能做到,但隨着我們的望遠鏡不斷改進,它可以提供一種研究系外行星的形成方式。天文學家期望在未來,系外行星同位素的發現將進一步幫助我們確切地了解行星是如何、何時、何地形成的,這個結果僅僅是個開始。

【圖:美國太空總署;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2021年7月14日出版的《自然》期刊

TYC = Tycho-1 Catalogue = 第谷第一星表 = 第谷星表

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