歐洲系外行星特性探測衛星發現一顆欖球形狀的系外行星


歐洲太空總署的系外行星特性探測衛星(CHaracterising ExOPlanets Satellite,簡稱 CHEOPS)發現,在一天內圍繞它的母恆星運行的系外行星具有變形的形狀,更像是欖球而不是球體。這是首次探測到系外行星變形,對了解這些變形行星的內部結構提供新的見解。

這顆名為 WASP-103b 的行星位於武仙神座。這顆行星和它的母星WASP-103之間的強大潮汐力變形,WASP-103 的溫度比太陽高二百度,質量大1.7倍。

我們在地球海洋中經歷潮汐,主要是由於月球在繞我們運行時略微拉扯著地球。太陽對地球的潮汐也有微小影響,但重要的是它離地球太遠,不會導致地球有的重大變形。WASP-103b的情況並非如此,它是一顆大小幾乎是木星兩倍、質量是1.5倍的行星,在不到一天的時間內繞母星運行。天文學家懷疑如此接近會導致巨大的潮汐,但直到現在他們還無法從地面測量到這顆行星的情況。

使用來自歐洲太空總署的系外行星特性探測衛星的新數據,結合美國太空總署和歐洲太空總署哈勃太空望遠鏡和美國太空總署的史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)已經獲得的數據,天文學家現在已經能夠探測到潮汐力如何使系外行星WASP-103b從一個通常的球體變形成欖球形狀。

系外行星特性探測衛星測量系外行星凌日,當一顆行星從它的恆星前面經過時引起的光線下降。通常,研究光變曲線的形狀顯示有關行星的詳細資料,例如:它的大小。系外行星特性探測衛星的高精度及它的指向靈活性,使衛星能夠返回目標並觀察多次凌日,使天文學家能夠探測到WASP-103b潮汐變形的微小訊號。這個獨特的個性可以用來揭開更多關於這個星球的資訊。

巴黎科學與文學大學巴黎天文台的雅克·拉斯卡(Jacques Laskar)說:「令人難以置信的是,系外行星特性探測衛星實際上能夠揭露這種微小的變形。這是第一次進行這樣的分析,我們可以希望在更長的時間內進行觀測將加強這種觀察,從而更好地了解行星的內部結構。」

該團隊能夠使用WASP-103b的光度變化曲線來推導出一個參數:洛夫數(Love number)是一個無量綱參數,用於測量行星體的剛性及其形狀響應潮汐勢而變化的敏感性。衡量質量在行星內的分佈情況。了解質量如何分佈可以揭開行星內部結構的細節。

葡萄牙波爾圖大學(University of Porto)的博士後研究員蘇珊娜·巴羅斯(Susana Barros)解釋說:「材料對變形的抵抗力取決於它的成分。例如,在地球上,由於月球和太陽,我們有潮汐,但我們只能看到海洋中的潮汐。岩石部分不會移動那麼多。通過測量地球的變形程度,我們可以知道有多少其中有岩石、氣體或水。」

WASP-103b的洛夫數與木星相似,這初步顯示內部結構相似,儘管WASP-103b的半徑是木星的兩倍。

蘇珊娜説:「原則上,我們預計質量是木星1.5倍的行星的大小大致相同,因此WASP-103b必須由於它的母恆星的加熱以及其它機製引至它有異常的膨脹。如果我們能夠通過未來的觀測來確認它的內部結構的細節,也許我們可以更好地了解是什麼讓它如此膨脹。了解這顆系外行星核心的大小對於更好地了解它是如何形成的也很重要。」

由於洛夫數的不確定性仍然很高,未來需要用系外行星特性探測衛星和韋伯太空望遠鏡進行觀測才能破譯細節。韋伯太空望遠鏡極高精度將改善系外行星潮汐變形的測量,從而更好地比較這些所謂熱木星和太陽系中的巨行星。

另一個謎團也圍繞著WASP-103b。恆星與非常接近的木星大小的行星之間的潮汐相互作用通常會導致行星的軌道周期縮短,使它逐漸靠近母恆星,然後最終被母星吞沒。然而,對WASP-103b的測量似乎顯示它的軌道周期可能正在增加,並且這顆行星正在緩慢地遠離母恆星。這顯示潮汐力以外的其它因素是影響這個星球的主要因素。

蘇珊娜和她的團隊研究其它潛在的情況,例如:影響系統動力學的宿主伴星或行星的軌道略呈橢圓形。他們無法確認這些情況,但也無法排除它們。也有可能軌道周期實際上是在減少,而不是在增加,但只有用系外行星特性探測衛星和其它望遠鏡對WASP-103b的凌日進行額外的觀測才能幫助解開這個謎團。

歐洲太空總署的系外行星特性探測衛星項目科學家姫蒂·伊絲克(Kate Isaak)說:「潮汐變形對系外行星凌日光曲線的影響非常小,但由於系外行星特性探測衛星的高精度,我們第一次能夠看到這一點。這項研究是系外行星科學家能夠用系外行星特性探測衛星解決的非常多樣化問題的一個很好的例子,說明這項靈活的後續任務的重要性。」

【圖、文:節譯自歐洲太空總署網頁】研究全文刊登在2022年1月由出版第657卷《天文及天體物理學報》;標題是:Detection of the tidal deformation of WASP-103b at 3 σ with CHEOPS

WASP = Wide Angle Search for Planets = 廣角尋找行星星表

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