2020年TESS首度发现地球级适居行星及双太阳行星

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  2020年开年大红!美国宇航局(NASA)凌日行星搜寻卫星“苔丝”(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)宣布两项重要发现:发现它的第一颗位于恒星宜居带(habitable zone)内的地球级系外行星,以及它的第一颗绕着两颗恒星公转的环双星系外行星。

TOI 700 d:TESS的第一颗地球级适居行星

  TEES的第一颗位于恒星适居区的地球级系外行星编号为TOI 700 d,意味着如果该行星上有水的话,能以液态水的型态存在于行星表面。TESS发现该行星之后,天文学家另用史匹哲太空望远镜(Spitzer Space Telescope)和计算机仿真方式确认该行星的潜在环境,以便能协助订定未来的观测方向。此外,TOI 700 d也是少数已知的地球级系外行星,不过其他的除TRAPPIST-1外,皆由开普勒太空望远镜(Kepler Space Telescope)发现。


TOI 700行星系统示意图。Credit: NASA

  TOI 700是一颗M型红矮星,距离约100光年,位于南天的剑鱼座(Dorado)方向,质量和半径都仅约太阳的0.4倍,表面温度则仅约太阳的一半,TESS于这颗恒星旁发现3颗凌日行星。由于先前对TOI 700恒星大小估计错认为与太阳差不多,导致估计出的TOI 700 d比真实大小还大且热;后来这个错误修正后,更新了TOI 700 d的参数,方才发现TOI 700 d落在该恒星的适居区中,且大小与地球相仿。且在长达11个月的TESS观测数据中,TOI 700都没有闪焰爆发的现象,显示TOI 700d环境相当单纯、稳定而适宜居住,让天文学家能更容易地模拟出它的大气和表面状况。

  该系统中的最内侧行星TOI 700 b大小几乎与地球相同,很可能也是岩质行星,绕其母星公转一周约仅10天。而中间的TOI 700 c比地球大了约2.6倍,大约介在地球和海王星之间,公转周期约16天,可能是一颗气态行星。最外侧的TOI 700 d是bcd这3颗行星中唯一落在适居区中的,直径约比地球大20%,公转周期约37天,应该也是一颗岩质行星,收到其母星的辐射量约为地球收到太阳辐射量的86%。

  天文学家认为这3颗行星都被其母恒星潮汐锁定,意味着其自转周期和公转周期一样长,会始终以同一面面对其母恒星,所以即使TOI 700 d是地球级适居行星,它大气中的云系形成和风的型态都与地球截然不同。其中一项计算机仿真认为TOI 700 d如果有海洋的话,应该与火星早期状况类似,拥有浓厚且主要为二氧化碳的大气;另一项计算机仿真结果则认为TOI 700 d应该类似完全没有云、完全显露地表状况的地球,风则从背对恒星的夜晚面吹向面对恒星的白昼面。这些猜测,未来如能精细观测到这颗大气的光谱,就可以确定它的真实状况。

TOI 1338 b:TESS的第一颗环双星系外行星

  一位参与NASA哥达德太空中心(Goddard Space Flight Center)暑期实习计划的高三学生Wolf Cukier在检验一批TESS的食双星数据时,突然发现其中一个系统TOI 1338发生「食」的时间不对,后来经天文学家Veselin Kostov等人确认其实是一颗行星绕着这对双星造成的。这是TESS观测中,第一个发现同时绕着两颗恒星公转的系外行星,即所谓的环双星系外行星(circumbinary planet),编号为TOI 1338 b。


TESS发现的第一颗环双星系外行星示意图。Credit: NASA

  TOI 1338系统距离约1300光年,位于南天的绘架座(Pictor)方向。两颗恒星约每15天互绕一周,其中主星的质量比太阳大10%,另一颗伴星则比较冷、比较暗,质量只有太阳1/3而已。这个系统内目前仅发现TOI 1338 b一颗行星,质量约地球的6.9倍,约介在海王星和土星之间,它绕双星公转的轨道平面就在双星互转轨道平面上,所以从地球的方向看过去,这两颗恒星会因互相遮蔽而发生互食(eclipse)现象的同时,当TOI 1338 b经过两星前方时,也各会发生凌日(transit)现象。食和凌都会造成总亮度减低。

  不过,两恒星互食的周期和亮度降低程度都很规律而容易观测,但由于两颗恒星和行星都在动,TOI 1338 b凌日就没有那么规律,介在93~95天之间,且亮度降低的程度和持续时间也都不尽相同,比较难观测。不过因为双星中的伴星太暗,目前TESS观测到的TOI 1338 b凌日都发生在主星。根据以往观测数据所进行的计算机仿真结果,TOI 1338 b的轨道至少在未来1000万年内都相当稳定。

  开普勒任务和其K2任务之前已经在10个系外行星系统中发现12颗环双星系外行星,状况全都与TOI 1338 b类似。一般双星观测比较偏向于发现大型行星,小型行星凌日时对恒星亮度的影响力则不大,但TESS在任务头两年观测了数十万组食双星系统,以量取胜,因此未来必定还有许多环双星行星等待被发现。

资料来源:
1.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-planet-hunter-finds-its-1st-earth-size-habitable-zone-world
2.https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-s-tess-mission-uncovers-its-1st-world-with-two-stars

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