一個比地球大三倍的“超級地球”:或可以幫助揭開行星形成的謎題

  離太陽最近的一顆恆星顯然擁有一顆巨大而冰冷的行星。

  天文學家已經找到了有力的證據,證明了一個質量是地球3.2倍的冰凍行星正在環繞著巴納德星運行。巴納德星是一顆昏暗的紅矮星,距離太陽只有6光年。除了大約4.3光年遠的三星半人馬座阿爾法星系之外,巴納德星是太陽最近的鄰居。

  被稱為巴納德星b的這顆新發現的行星,目前仍是候選行星。但發現這顆行星的研究人員相信,這顆外星行星最終將得到證實。

  加泰羅尼亞空間研究所和西班牙空間科學研究所的Ignasi Ribas在一份聲明中說:“經過非常仔細的分析,我們有99%的把握相信這顆行星就在那裡。”

  “但我們還會繼續觀察這個高速運轉的恆星,來排除恆星亮度的自然變化偽裝成一個星球的可能性,儘管我們認為這個可能性比較小。”Ribas是一項新研究的主要作者,該項研究宣佈發現了巴納德星b,研究發表在11月14日的《自然》雜誌上。

  藝術家對巴納德星的“超級地球”表面的假想圖。來源:M. Kornmesser/ESO

  如果巴納德星b得到證實的話,它也不會是離地球最近的系外行星。這一稱號由近似地球大小的比鄰星b所擁有,它圍繞著比鄰星軌道運行,比鄰星是半人馬座阿爾法星三合星之一。

  美國國家航空和宇宙航行局(NASA)的開普勒太空望遠鏡(Kepler space telescope)顯示,在整個銀河系中,小行星非常普遍。比鄰星b和巴納德星b這些兩個行星也共同有力地表明這樣的世界在“我們的鄰居”中也十分常見,研究的合作者、華盛頓卡內基科學研究所地磁系的Johanna Teske說:“這太令人興奮了。”

  接近太陽系的鄰居

  巴納德星以美國天文學家E.E.巴納德的名字命名。在地球上空,沒有任何一顆恆星比巴納德星移動得更快,它每180年會移動大約相當於滿月的寬度。

  這種無出其右的明顯運動是巴納德星與太陽近距離和其相對太陽的高(但不是創紀錄的高)速度造成的結果,它的速度為每小時31萬英里(50萬公里/小時)。

  巴納德星每天都在向我們靠近:大約一萬年後,這顆紅矮星將會比半人馬座阿爾法星系離我們更近。在那個時候,巴納德星和太陽僅會隔3.8光年。

  巴納德星的年齡大約是地球太陽的兩倍,質量是地球太陽的六分之一,亮度只有地球太陽的3%。因為巴納德星太暗了,它的“宜居帶”(行星表面可能存在液態水的距離範圍)距離恆星非常近。事實上,研究人員估計這宜居帶離恆星只有0.06到0.10天文單位。(一個天文單位等於地球到太陽的距離,大約9300萬英里,即1.5億公里。)

  當然了,可居住區域這個概念是一個棘手的問題,要真正衡量一個世界的宜居性,需要對其大氣成分和厚度等特性有很強的深入瞭解。而對於系外行星來說,這樣的信息尤其難獲得。

  藝術家對新發現的“超級地球”行星和它的主星巴納德星假想圖。來源:M. Kornmesser/ESO

  長時間的搜索

  巴納德星長期以來一直是系外行星搜尋者的目標,但他們此前的搜尋都徒勞無功。

  但新的發現也並不容易:Ribas和他的團隊分析了大量新舊的數據,最終才發現了巴納德星b。

  研究人員在尋找這個行星的時候使用了“徑向速度”的方法,這種方法尋找由軌道行星的引力拖曳引起的恆星星光變化來尋找行星。從地球上看,這樣的拖曳會使恆星輕微地擺動,使其光線時而向光譜的紅色波長移動,時而向藍色波長移動。

  Ribas在一份聲明中說:“我們使用了7個不同儀器的觀測數據,歷時20年,這是迄今為止用於徑向速度方法研究的最大、時間跨度最廣的數據庫之一。所有數據的總共產生了771個測量數據——這意味著大量的信息!”

  研究小組成員說,以前從未使用過徑向速度法在如此遙遠的軌道上尋找如此小的行星。(巨大,並且距離其恆星近的行星對它們的宿主恆星影響會更大,因此恆星的變化會更大、更容易察覺。)

  這七個儀器分別是位於智利歐洲南方天文臺(ESO)拉希拉天文臺的高精度徑向速度行星搜索器(HARPS);位於智利ESO帕拉納天文臺的超大望遠鏡上的紫外線和視覺梯級光譜儀;位於加那利群島的伽利略國家望遠鏡;位於夏威夷的凱克10米望遠鏡上的高分辨率階梯光譜儀;在智利拉斯坎帕納斯天文臺的麥哲倫6.5米望遠鏡上的卡內基研究所行星探測器攝譜儀;加州大學利克天文臺2.4米望遠鏡的自動行星探測器;西班牙卡拉爾阿爾託天文臺的CARMENES。

  研究人員還發現了該系統中另一顆潛在行星的跡象,它的軌道距離比巴納德星b要遠,而且要遠得多,其公轉週期為6600地球日,Teske說:“但第二個信號太弱了,不足夠被認為是候選行星。

  “數據還遠遠不夠,”她說。

  距離太陽最近的恆星的相對距離圖示。巴納德星是離我們最近的第二顆恆星,也是離我們最近的獨立恆星。來源:IEEC/Science-Wave-Guillem Ramisa

  一個寒冷的“超級地球”

  巴納德星b至少比地球大3.2倍,這樣的體積使其成為“超級地球”,被稱得上“超級地球”的這類行星比地球大得多,但比海王星和天王星等“冰巨星”小得多。

  根據這項新研究,這顆新發現的行星距離它的主星0.4天文單位,每233地球日完成一次公轉。

  這個軌道距離類似於我們太陽系中被輻射的水星。但是,由於巴納德星太暗,這顆潛在的行星就位於該恆星系統的“雪線”附近——這一區域是易揮發物質(水)可以凝結成固體(冰)的區域。

  美國國家科學技術研究委員會天文與空間物理研究所科學家、阿根廷布宜諾斯艾利斯大學研究人員羅德里戈·迪亞茲(Rodrigo Diaz)在研究後面的一篇評論文章中提到:“到目前為止,在這麼遙遠的距離上我們只發現過恆星的巨行星,”這篇文章同樣也發表在《自然》雜誌上。

  “作者在恆星雪線附近發現了一顆低質量的行星,這對這種行星的形成模型造成了很大的限制,”迪亞茲補充說,他沒有參與這項新研究。

  如果巴納德星b確實存在的話,我們熟悉的生命形式不太可能可以居住在那裡,至少不能居住在其行星表面。研究小組成員還說,那顆潛在行星也一樣,它可能非常冷,表面溫度大約是零下275華氏度(零下170攝氏度)。

  迪亞茲寫道,額外的徑向測量不太可能可以幫助確認巴納德b星的存在。但他補充說,對恆星位置的超精確測量,比如歐洲航天局(European Space Agency)的蓋亞(Gaia)航天器目前正在進行的測量,可能會在未來幾年完成這項工作。

  “更令人興奮的是,將在2020年代投入使用的下一代地表儀器也應該能夠直接成像並測量報告行星的光譜,”Diaz寫道。

  他補充說:“利用這個光譜,我們可以推斷出行星大氣的特徵,比如它的風和自轉速度。因此,這顆非凡的行星為我們解開行星形成和進化之謎提供了關鍵的線索,並且它可能是第一個被詳細探測大氣層的低質量系外行星。”

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