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

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  绘架座β星距离地球仅63光年,年龄约2300万年,是一个相对年轻的恒星。早在1983年红外线天文卫星(IRAS)就发现绘架座β有过量的红外线辐射,进而在1984年看到星周盘(circumstellar disk),证实它拥有初生行星的岩屑盘。之后,2008年天文学家直接在图像中发现一颗巨大的行星,称为绘架座β星b。在2019年3月,研究人员分析凌日系外行星巡天卫星(TESS)数据,也以凌日方式发现3颗系外彗星!现在,天文学家以欧南天文台的高精度径向速度行星搜索器(HARPS)的10年观测数据,以径向速度法再发现新的行星绘架座β星c。

  研究人员表示这是首次以径向速度法找到如绘架座β星这种年轻高温恒星的系外行星,因为其光谱较为复杂。绘架座β星c距离母星轨道约2.7AU,轨道周期大约为1,200天,估计质量约为木星的9倍,目前有些观测结果仍然不确定。研究人员希望能从盖亚太空望远镜以及在智利建造中的欧洲极大望远镜(E-ELT)得到更多资讯,以研究行星形成过程以及行星盘相互作用。论文发表在Nature Astronomy期刊。(编译/台北天文馆李瑾)

1566710816813352.jpg

资料来源:sci-news.com

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  前几年网络与媒体相当时兴的一个话题是寻找长相非常类似,但其实没有血缘关系的「陌生双胞胎」,甚至有人为此特意设立网站,引起广大回响。目前已知的系外行星数量达数千颗之多。双子座天文台(Gemini Observatory)天文学家Trent Dupuy和夏威夷大学Michael Liu等人最近拍摄一颗新发现的系外行星2MASS J0249-0557 c(简称2MASS 0249 c)的红外光谱时,发现和绘架座βb( Beta Pictoris b或β Pic b)这颗发现已久的气体巨行星的红外光谱几乎一模一样,让天文学家兴起它们是否为陌生双胞胎的争议,而答案的是与否,和它们的起源有关。

1534863465920815.jpg

  恒星通常是一群一起从气体尘埃密集的云团中诞生。这群恒星相当分歧,从质量小到无法经核融合反应自行产生能量的棕矮星,到会以超新星爆炸方式结束一生的大质恒星都有。而行星,就在这些新诞生的恒星旁逐渐形成。一旦诞生这些恒星的云气苗圃耗尽气体,恒星和它们的行星逐渐飘离诞生地而分散,自由地在银河系里漂流。因此,天文学家们相信,有些看似相隔很远的行星,其实是从同一块恒星苗圃中诞生的手足。

  到目前为止,直接拍摄(direct imaging)而发现的系外行星基本上都是各自独立的,彼此间的模样和年龄等都有明显差异。然而,发现模样几乎一样但形成过程迥异的系外行星,让天文学家开启一道能深入了解这些天体的新途。

  绘架βb由A.-M. Lagrange等人透过超大望远镜(Very Large Telescope)发现于2008年11月18日,距离地球约63光年,质量约13倍木星质量,离母恒星约9AU,是第一批利用直接拍摄而发现的系外行星之一。而Dupuy等人透过加法夏望远镜(Canada-France-Hawaii Telescope,CFHT)新发现的系外行星2MASS 0249 c,其质量、亮度和光谱几乎和绘架βb相同。Dupuy等人认为:这两颗系外行星应该不是只有浮于表面的相似,而是真的来自同一块恒星苗圃,「恒星基因」是相同的。 

  虽然是基因上的手足,但它们目前所处的环境却截然不同。它们的母星差异颇大。绘架β的亮度比太阳亮10倍左右,2MASS 0249却是个比太阳暗2000倍左右的棕矮星。再者,绘架βb很接近它的母星,只有9AU左右,相当于太阳到土星的距离;但2MASS 0249 c离母星却远达2000AU。距离相差如此之大,显示行星的哺育环境的确不全然相同。传统理论认为气体巨行星形成时,先有小型的岩质核心,而后恒星周围原行星盘中的气体逐渐累积在此核心表面,最后成长为一颗气体巨行星,绘架βb的成长过程应是如此。但相对地,2MASS 0249 c的母星周围似乎没有足以制造出一颗气体巨行星的资源,所以2MASS 0249 c应该是在其母恒星诞生的恒星苗圃中就已经形成。

  由此可知,大自然有很多种方式可以让行星看起来非常近似。绘架βb的诞生途径可能如同现今大多数气体巨行星般,在恒星周围原行星盘中从小尘粒开始累积而成;相对地,2MASS 0249 c则比较近似体重不足的棕矮星,是从气体云团收缩聚集而成。它们俩现在都被归属为行星,但2MASS 0249 c的出现让天文学家意识到这样的分类或许太过笼统,没办法反应出真实的状况。

  Dupuy等人根据CFHT观测资料,除确认2MASS 0249 c离它母星远达2000AU之外,还确定2MASS 0249属于成员已经四散的绘架β移动星群(beta Pictoris moving group);绘架β在这个星群中并不是最显著的恒星,但它拥有最著名的行星之一,因而以之为名。该团队后来利用凯克天文台(WM Keck Observatory)测量2MASS 0249母恒星,发现2MASS 0249是棕矮星,而且它还有另一颗棕矮星伴星,换言之,这个系统是由2颗棕矮星和1颗气体巨行星所组成。后续以在夏威夷的NASA红外望远镜装置(NASA Infrared Telescope Facility)和在美国的阿帕契天文台(Apache Point Observatory)天文物理研究联盟(Astrophysical Research Consortium)3.5米望远镜观察2MASS 0249 c的光谱,证明这颗系外行星与绘架βb非常近似。

1534864069296382.jpg

  能直接拍到的系外行星,绝大部分都离母恒星非常近,绘架βb便在此类,有些甚至比水星到太阳还近许多倍,因为这样所反射的母星辐射,才足以亮到能被地球上的望远镜捕捉到它的身影。但2MASS 0249 c却离母恒星及其伴星很远,比太阳系最远的行星—海王星(30AU)还远得多很多,所以天文学家比较容易测量其表面天缉获大气组成等特性,而不会被母恒星干扰,如此一来便可更进一步地了解气体巨行星的许多特性和起源,所以对天文学家来说,2MASS 0249 c可是个瑰宝。

资料来源:Institute for Astronomy at the University of Hawaiʻi