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天文学家发现罕见六行星系统

可能80亿年未被干扰

2023-12-04 中国科学报
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天文学家发现了一个极不寻常的行星系统,它由6颗行星组成。这些行星都比地球大,但比海王星小,围绕着附近的一颗恒星运行。相关论文11月30日发表于《自然》。

这种被称为亚海王星的行星系统在太阳系中并不存在,但在银河系中很常见。此外,所有行星都在有节奏的和谐轨道上运行,表明该系统自数十亿年前形成以来一直没有受到干扰。

“这是一个令人愉快的系统。”没有参与这项研究的英国开放大学天文学家Carole Haswell说。如果进一步观测,就会发现在该恒星宜居带中有更多行星存在液态水,Haswell说,“那么它可能成为银河系中最有趣的恒星”。

新系统的发现借助于两台太空望远镜、多台地面望远镜,以及数十名天文学家3年多的探测工作。搜寻工作始于2020年,当时美国芝加哥大学天文学家Rafael Luque正在分析美国宇航局(NASA)凌日系外行星勘测卫星(TESS)传回的数据。该卫星旨在探测由前方经过的行星引起的恒星亮度下降。他注意到与HD 110067有关但不确定的亮度下降。HD 110067是一颗类似太阳的恒星,距离地球仅100光年。为了了解更多信息,他不得不等到2022年初,此时TESS又回到了同一片天空。

最新数据确认了这颗恒星的前两颗行星,即轨道为9.1天和13.7天的行星。欧洲空间局的系外行星特征分析卫星(CHEOPS)随后的观测则确定了第三颗行星,其轨道周期为20.5天。

这些数据还包括另外4个令人费解的星光衰减现象,或称凌日现象,研究小组无法将其与其他行星联系起来。3颗已知行星的轨道显示,每对相邻行星之间都有3/2的共振:内行星每公转3次,外行星就公转两次。而由于其他行星也可能处于共振状态,于是Luque团队寻找共振频率为2/1、3/2、4/3等的假想行星。结果表明,第四颗行星的共振频率为3/2,公转周期为30.8天,与其中两次凌日现象吻合。

然而这就给研究人员留下了两个无法解释的单次凌日现象。为了了解它们是否可能与更多行星相连,研究人员利用了一个在其他共振系统中观察到的特性:如果3颗行星共振,其中两颗在恒星的一边,那么第三颗总是在其他地方;在任何情况下,这三者不可能同时出现。有了这个额外条件,研究人员就能够证明,剩下的两个单次凌日现象是如何与41.1天和54.7天的公转周期吻合的。

NASA艾姆斯研究中心的一个团队设计了一种新方法重新处理TESS的数据,这些数据通常因噪声过大而被丢弃。Luque团队要求艾姆斯团队查看2020年观测中丢弃的数据,以预测第五颗和第六颗行星的凌日。Luque说,结果显示,第五颗行星的凌日准确无误,而第六颗行星的预测周期只偏离了20分钟,尽管这是根据两年后观测到的一次凌日现象推断出来的。

星光的衰减只提供了行星直径的线索。研究团队需要质量来计算它们的密度,并了解这些行星是被气体笼罩的亚海王星,还是由被剥离的岩石组成的超级地球。为了获得质量数据,研究小组不得不利用两台地面望远镜——西班牙的卡拉尔·阿尔托望远镜和意大利的伽利略望远镜。这两台望远镜都能观测到周围行星引力引起的恒星微小摆动。这些观测结果提供了这些行星质量的估计数据。结果显示,这些行星的质量约为地球质量的3.9倍至8.5倍。这使它们都属于亚海王星阵营,拥有稠密的大气层、岩石核心,可能还有覆盖行星的海洋。

该团队非常幸运,只有大约1%的行星系统能够显示出相邻行星之间的共振,HD 110067系统是已知的第一个由6颗行星组成的共振链。CHEOPS项目科学家Maximilian Günther表示,HD 110067为了解行星系统产生的条件提供了一个独特的机会,因为在其可能的80亿年生命周期中,似乎没有任何东西扰乱过它的轨道。“它就像研究行星系统形成和演化的化石。”他说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06692-3

打印 责任编辑:梁春雨

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