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天文学家发现两颗比棉花糖轻的超级蓬松行星

天文online

08-02 22:28 来自北京

两颗比棉花糖还轻的超级蓬松行星被观测到

这幅插图描绘了类太阳恒星TOI791及其轨道上由NASA的TESS太空望远镜发现的两颗巨行星。这些被命名为TOI791b和TOI791c的行星大小与木星大致相当，但质量仅为木星的一小部分，这意味着它们的密度极低。

两颗比棉花糖还轻的巨行星为天文学家了解银河系中一些最奇特星球的起源提供了一个罕见的新窗口。

天文学家发现了两颗迄今测量过的密度最低的巨行星。这些不同寻常的天体属于一种罕见的超级蓬松行星类别，而且两者的密度都比棉花糖还低。

这项发现由牛津大学领导的国际团队完成，该团队与蔚蓝海岸大学蔚蓝海岸天文台以及伯明翰大学合作。研究结果发表在《皇家天文学会月刊》上。

乔治德兰斯菲尔德博士及同事们在南极望远镜ASTEP（南极凌日系外行星搜索望远镜）执行夏季维护任务期间。图片来源：卡里姆阿加比IPEVPNRA

密度极低的巨行星

系外行星TOI791b和TOI791c围绕着一颗F7型矮星运行，这颗恒星距离地球约1110光年，位于南天星座飞鱼座。

这两颗行星的大小都与木星大致相当，但它们所含的物质远少于其巨大体积可能暗示的量。TOI791b的密度仅为每立方厘米0。038克，而TOI791c的密度为每立方厘米0。047克。

相比之下，木星的平均密度为1。33克每立方厘米。这使得木星的密度大约是一些已确认行星的28到35倍。

棉花糖的密度通常约为0。05克每立方厘米，这意味着这两颗行星的密度甚至更低。地球则紧凑得多，密度为5。5克每立方厘米。

TOI791系统中的系外行星与太阳系行星的比较。图片来源：美国国家航空航天局丹尼尔拉特

两颗行星兄妹锁定在轨道舞蹈中

科学家认为这两颗行星是由围绕它们年轻宿主恒星的同一团气体和尘埃盘共同形成的，因此它们是行星姊妹。

它们还通过一种不常见的引力模式相互关联，这种模式被称为53平均运动共振。内行星绕恒星运行五次时，外行星几乎正好完成三次运行。

行星在轨道运行时，它们的引力会使彼此不断相互拉扯。这些相互作用会导致每颗行星经过恒星前方的时间产生微小但可检测到的变化。

目前已知的其他行星系统中，只有四个包含不止一颗超级蓬松行星。这种排列的罕见性使得TOI791系统成为研究这类不寻常世界如何随时间发展和变化的一个特别有价值的地方。

主要作者乔治德兰斯菲尔德博士（她她）（牛津大学物理系，BBC《夜空》节目主持人）表示：目前已知的这类超级蓬松行星仅有少数几颗，在同一系统中发现两颗的情况则更为罕见。它们极低的密度使其成为研究行星系统形成与演化的极具吸引力的目标。

南极康科迪亚站的ASTEP（南极凌日系外行星搜索）望远镜以及其他观测TOI791系统的望远镜的示意图，该系统中的两颗气态巨行星正相互发生引力作用。图片来源：伯明翰大学阿曼达史密斯

公民科学家帮助发现了这些行星

TOI791b和TOI791c最初分别被标记为可能的行星。志愿者通过行星猎人TESS公民科学项目做出了这些识别，该项目分析美国国家航空航天局（NASA）的凌日系外行星调查卫星（TESS）的观测数据，以寻找此前未知的世界。

天文学家后来使用世界各地的望远镜来确定这些行星的大小和质量。结合这些测量数据，研究人员得以计算出它们极低的密度。

当一颗行星运行到其恒星前方并遮挡住恒星的一小部分光线时，这颗行星就能被探测到。这种现象被称为凌日，而光线损失的量有助于天文学家估算该行星的大小。

在TOI791系统中，科学家们还注意到凌日现象并非以完全规律的间隔发生。这种微小的时间变化是由行星在围绕恒星运行时相互牵引造成的。

通过研究这些变化，该团队估算出了每个天体的质量，并证实这两颗行星的密度都异常低。

乔治德兰斯菲尔德博士在ASTEP（南极凌日系外行星搜索）望远镜的穹顶内，当时她正在南极洲执行夏季维护任务。图片来源：乔治德兰斯菲尔德IPEVPNRA

南极黑暗中捕捉到创纪录的长时间凌日现象

这项发现基于来自多个设施的长期观测数据，其中包括位于南极洲康科迪亚站的ASTEP（南极系外行星凌日搜索）望远镜。该望远镜由蔚蓝海岸大学蔚蓝海岸天文台的研究人员与国际合作者联合运营。

南极洲提供了一个重要的观测优势。冬季期间，该地区会经历数月不间断的黑暗，让天文学家能够观测行星穿过其恒星，而不会因日光干扰观测。

每次凌日持续超过11小时。这些事件是地面上有记录以来持续时间最长的连续行星凌日。

南极凌日系外行星搜索望远镜（ASTEP）刚安装上新支架后的照片。图片来源：KarimAgabiOCAIPEVPNRA

超级蓬松行星是如何形成的？

科学家们尚未就超级蓬松行星如何变得如此巨大却又保持如此轻盈达成共识。

一个重要的解释是，这些星球被富含氢和氦的巨大大气层所包围。这些气体层可能占每个行星总质量的很大一部分，同时极大地扩大了其可见体积。

行星可能是在原行星盘的寒冷区域、远离其恒星的地方形成的。在这种条件下，气体可能会冷却并迅速在固态行星核周围聚集，形成一个巨大而轻盈的外层包层。

研究团队计划进行更多观测，以确定这些行星是如何形成的，并验证关于它们异常低密度的不同解释。

詹姆斯韦伯空间望远镜能够揭示它们的大气化学

伯明翰大学的AmauryTriaud教授是ASTEP项目的英国首席研究员，也是该研究的合著者，他表示：这个系统为理解超级蓬松行星的形成和演化提供了一个独特的实验室。我们建议利用詹姆斯韦布空间望远镜进行天基观测，以评估这种蓬松大气中是否含有含碳、氮和氧的物质，从而揭示这些不寻常行星形成方式的新见解。

用詹姆斯韦布空间望远镜研究行星，可能会揭示它们广阔大气层中存在哪些化学物质。这些信息或许能帮助研究人员重建行星形成的位置和条件。

TristanGuillot教授（蔚蓝海岸大学），ASTEP项目首席研究员兼该研究的合著者补充道：这些多行星系统十分复杂，行星之间的引力相互作用会在极长的时间内——数十年甚至更久——演化。这一发现凸显了天文学领域持续国际合作的重要性。整合来自南极洲、太空望远镜以及各大洲天文台的观测数据，对于揭示这些非凡行星的真实本质至关重要。

参考文献10。1093mnrasstag864