天文學家在太陽系附近的一顆恆星發現它是個多行星系統


一組由美國麻省理工學院卡夫利(Kavli)天體物理與太空研究所博士後研究員米雪·國本(Michelle Kunimoto)為首的天文學家團隊,在我們的太陽系附近新發現一顆擁有多行星系統的恆星,它距離地球僅10秒差距(大約33光年),是已知最接近我們的多行星系統之一。

該系統的核心是一顆小而冷的M型矮星,名為HD 260655,天文學家發現它至少擁有兩顆地球大小的類地行星。岩石世界可能不適合居住,因為它們的軌道相對接近母恆星,使行星暴露在太高的溫度下,地表上無法維持液態水。

儘管如此,天文學家還是對這個系統感到興奮,因為行星與母恆星接近,故此亮度使他們能夠更仔細觀察行星的特性以及是否擁有的任何大氣層的跡象。

米雪·國本說:「由於恆星的亮度,該系統中的兩顆行星都是大氣研究的最佳目標之一。這些行星周圍是否存在含有大量揮發性物質的大氣?是否有水或碳基物種的跡象?這探索的絕佳試驗台。」

新的行星系統最初是由美國太空總署的凌日系外行星巡天衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite)確定,這是一項由麻省理工學院領導的任務,目的在觀測最近和最亮的恆星,並檢測可能發出凌日現象訊號的周期性光度變化線下降。

2021年10月,麻省理工學院凌日系外行星巡天衛星科學團隊的成員米雪·國本正在監測衛星的傳入數據,當時她注意到來自HD 260655恆星的光度有一對周期性下降。她通過任務的科學檢查管道進行檢測,這些訊號很快歸類為兩個凌日系外行星巡天衛星感興趣對象(Transiting Exoplanet Survey Satellite Objects of Interest,簡稱 TOI),標記為潛在的系外行星。同樣的訊號也由位美國太空總署的官方凌日系外行星巡天衛星行星搜索管道科學處理操作中心獨立發現。天文學家通常計劃用其它望遠鏡跟進,以確認這些光度變化確實是由系外行星凌日現象產生。

對新行星進行分類和隨後確認的過程通常需要數年時間。對於HD 260655,該過程在存檔數據的幫助下顯著縮短。

在米雪·國本確定HD 260655周圍的兩顆潛在系外行星後不久,研究團隊開始查看之前是否有其它望遠鏡觀察到這顆恆星。幸運的是,HD 260655列入由高分辨率階梯光譜儀(High Resolution Echelle Spectrometer)進行的恆星巡查,該儀器是夏威夷凱克(Keck)天文台的一部分。自1998年以來,高分辨率階梯光譜儀一直在監測這顆恆星以及許多其它恆星,研究人員能夠查閱該巡查的公開數據。結果在大約六個月內證實HD 260655周圍存在兩顆行星。

為了確認來自凌日系外行星巡天衛星的訊號確實來自兩顆系外行星,研究人員查看這顆恆星的光譜數據,都測量到來自恆星的重力擺動,稱為徑向速度(Radial velocity)。

米雪·國本解釋,每顆圍繞恆星運行的行星都會對它的母恆星產生一點重力,我們正在尋找的是那顆恆星的任何輕微運動,這可能顯示有一顆行星質量的物體正在拉扯它。從檔案數據中,研究人員發現具有統計學意義的跡象,證明凌日系外行星巡天衛星檢測到的訊號確實是由兩顆系外行星引起。

然後,研究團隊更仔細地查看凌日系外行星巡天衛星數據,以確定兩顆行星的特性,包括它們的軌道周期和大小,確定HD 260655 b的內行星每2.8天繞恆星公轉一次,質量大約是地球的1.2倍。第二顆外行星HD 260655 c每5.7天公轉一次,質量是地球的1.5倍。

根據徑向速度數據,研究人員能夠計算出行星的質量,這與每顆行星牽引它的母恆星幅度直接相關。他們發現內行星的質量約為地球的兩倍,而外行星的質量約為地球的三倍。根據它們的大小和質量,該團隊估計每顆行星的密度。內部較小的行星比地球密度稍大,而外部較大的行星密度稍小。這兩顆行星,根據它們的密度,很可能是類似地球,或者在成分上是由岩石組成。

研究人員還根據它們的短軌道估計,內行星的表面溫度為710K(攝氏473度),而外行星的溫度約為560K(攝氏287度)。因為太熱以至液態水無法在行星表面存在,所以它們都適居範圍以外。

研究團隊認為系統中可能有更多的系外行星。有許多恆系統擁有五、六顆行星,尤其是在像這樣的小恆星周圍。團隊希望能找到更多系外行星,包括其中一些可能位於恆星的宜居帶之內。

【圖、文:節譯自美國麻省理工學院2022年6月15日新聞公佈】

HD = The Henry Draper Catalogue = 亨利·德雷伯星表

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