終於找到證據顯示

一個環繞在白矮星外的巨行星的存在

日期:2019/12/11

原文參考連結:

https://warwick.ac.uk/newsandevents/pressreleases/

http://www.eso.org/public/news/eso1919/

編譯:黃珞文 / 科學審校:周美吟博士

美國及智利兩所大學組成的天文團隊首次發現了一個間接證據,顯示出一個巨大的行星環繞著一個白矮星運轉;此項發現中的白矮星體型大小相當於地球,而巨行星的體型則比它所環繞的白矮星還大4倍,質地類似於海王星,主要是冰質氣體。由於這個環繞在熾熱白矮星外運轉的行星正在被蒸發,讓它產生了看起來像彗尾的氣體尾巴。據研究團隊指出,被炙熱白矮星蒸發掉的巨行星所殘留的線索在宇宙中可能是相當的普遍。這項結果發表在《自然》期刊。

歐南天文台ESO研究人員透過「甚大望遠鏡(VLT)」,首度發現間接證據揭示一環繞於白矮星周圍之巨行星的存在。

credit: ESO/M. Kornmesse

前述間接證據是以氣體盤的形式被發現,至於氣體盤的成因則是,行星大氣被蒸發了。

這個歸類應近似於海王星的行星是以每10天繞一圈的速度環繞著體型僅只有它四分之一的一個恆星轉,另外,它還拖曳著一條由氫、氧、硫等元素組成的氣體尾巴,那看起來像彗尾。

這是天文學家首次取得一個巨大行星在繞著白矮星轉的證據,並顯示在此類恆星周圍可能還有更多的行星等待發掘。白矮星的前身是恆星,它是恆星燃盡後殘餘的核。

恆星過渡到白矮星時,其行星仍能存活的證據,此前從未被找到過。

WD J0914 + 1914 這個恆星發現於史隆數位巡天普查計畫(Sloan Digital Sky Survey)普查一萬個白矮星期間,由美國Warwick大學的研究者對這個恆星系統發出的光具有的細微變化詳細分析,想看看恆星附近有哪些元素出現。

結果他們在光譜資料中偵測到微量的氫--光是這一點已不太尋常,但是他們甚至還測到了氧和硫,全然前所未見。透過歐南天文台甚大望遠鏡(VLT)進一步觀測,他們發現:氫、氧、硫的形狀特徵正和典型的「氣體環」一致。

論文的第一作者 Gaensicke 博士說明,原本一開始他們以為這個物體可能是「一個雙星及其吸積盤」--吸積盤由兩顆恆星間的質量流所形成。但觀測結果顯示,這其實是單一的一個白矮星,在白矮星周圍有個盤,盤的大小約太陽十倍,盤的組成物竟純粹只有氫、氧、硫而已,是個前所未見的系統,非常獨特。

當天文學家就兩個晚上觀測所取得的光譜求其平均值時,很明顯地發現,WD J0914 + 1914 恆星是正在從盤中吸積著硫和氧。經資料分析,他們得以測量出盤的化學組成,結論是,這個盤的成分,其實與冰質巨行星的深層更為更近似,譬如太陽系裡的天王星、海王星,分類上都是冰質巨行星。

另一位研究者 Schreiber博士藉計算顯示,熾熱達攝氏28,000度的白矮星,藉高能光子轟擊,正在慢慢地蒸發一個冰質巨行星,行星所失去的質量是以每秒超過3000噸的速度被白矮星吸入了環繞在矮星外的那個氣體盤之中,。

研究團隊表示,事實上這顆恆星的行星其實是我們無法直接看到的,但由於恆星溫度極高,把看不到的行星蒸發,才讓我們有機會發現有個行星正在失去它的大氣。有可能,許多沒達到那麼高熱的白矮星其實也擁有行星,但缺乏高能光子去驅動行星的蒸發,那麼一來,則我們並無法用和這次一模一樣的方法去找到那些沒那麼熱的白矮星了,但未來有大型的巡天衛星型望遠鏡啟用時,透過掩星觀測法,一部分這樣的行星就可能可以被偵測到。

研究團隊相信他們的發現是一項重大進展,因為過去20年中,越來越多證據表明一個行星系統似乎是有辦法撐到白矮星階段的。理由是,已經有看到一些小行星、彗星和其他小型行星物體在撞擊白矮星的事件;然而要對那些事件加以合理解釋,就必須要在離白矮星還稍微再遠一點的地方存在著更大而且質量達行星等級的天體才行。這次取得的證據,終於證明了真的有一個行星,本身正被碎散在白矮星附近,這是重要的進展。

另外,某種意義上,WD J0914 + 1914 讓我們預見太陽系在遙遠未來的情景。

我們今天看到的白矮星,曾經是一顆類似於太陽的恆星,但最終耗盡了燃料,膨脹為一個大小是太陽數百倍的紅巨星。在白矮星的階段,恆星質量已損失一半左右,殘餘的部分也大幅縮小,變成只有地球那麼小--白矮星實質上是「前恆星」燃盡的核心。

研究團隊認為,像這次所發現的這個行星蒸發並且年輕白矮星隨後有吸積現象的這種過程,搞不好並非少數,而是相當普遍,因此他們認為,這可能會為研究太陽系外氣體巨行星的大氣化學成分開啟新途徑。

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插圖示意一個巨行星環繞在白矮星氣體盤外。受白矮星高能光子轟炸,巨行星的大氣被蒸發,該層大氣是氫、氧、硫組成的。其中大部分的氫受紫外線光子輻射,迫使它朝白矮星的反向遠離,變成像彗尾一樣的一道氣體尾。氧和硫則朝白矮星的氣體盤掉落,形成可被偵測到的氣體盤。從這個盤我們可以看得到的光只來自少數幾種比較強的發射線,紅色的是氧,在盤中心,藍色的是硫,在外側。

Credit: University of Warwick/Mark Garlick

https://warwick.ac.uk/services/communications/medialibrary/images/december2019/future_solar_system.jpg

這張插畫示意未來的太陽系可能樣貌。我們的太陽在60億年後將演化成白矮星。火星和其他太陽系的外側氣體巨行星們將可以在巨變中倖存。

形成後白矮星後的最初幾百萬年,白矮星會非常熱,強大的「極紫外線」(EUV)會蒸發掉氣體巨行星外部大氣的氣體。這種氣體的一小部分將被白矮星所吸積,而所產生的大氣譜線,屆時,則有可能會被「外星人」的天文學家探測到。

Credit: Mark Garlick