首个经验性证据表明行星和恒星之间存在成分上联系 但比预期更加复杂

天文学界的一个共识是,行星和它们各自的主星之间存在着成分上的联系。 不过,科学家首次提供了支持这一假设的经验性证据,但部分证据也与该共识存在矛盾。恒星和行星是由相同的宇宙气体和尘埃形成的。在形成过程中,一些物质凝结并形成岩质行星,其余的要么被恒星积累,要么成为气态行星的一部分。

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因此,假设恒星和其行星组成之间存在联系是合理的,并且已经得到了证实,例如在太阳系中的大多数岩质行星(水星是个例外)。

不过这个假设在天体物理学中,无法完整证明是正确的。2021 年 10 月 15 日发表在《Science》杂志上的论文中,由葡萄牙天体物理学和西班牙科学研究所(IA)带领,伯尔尼大学 NCCR PlanetS 和苏黎世大学的研究人员参与的国际团队,为这一假设提供了首个经验性证据,但也在某个部分推翻了这一假设。

为了确定恒星及其行星的成分是否相关,研究小组比较了两者的非常精确的测量结果。对于恒星,团队测量了它们的发射光,也就是带有其成分的特征光谱指纹。岩质行星的组成是间接确定的。它们的密度和成分是由它们测量的质量和半径得出的。直到最近,才有足够多的行星被精确地测量出来,从而有可能进行这类有意义的调查。

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该研究的共同作者、伯尔尼大学天体物理学讲师和 NCCR PlanetS 成员 Christoph Mordasini 解释道:“但是,由于恒星和岩质行星在本质上是完全不同的,所以无法直接比较它们的组成。因此我们将这些行星的组成与它们的恒星的理论上的冷却版本进行比较。虽然恒星的大部分物质--主要是氢和氦--在冷却时仍然是气体,但有一小部分会凝结,由铁和硅酸盐等岩石形成的物质组成”。

伯尔尼行星形成和演变模型(Bern Model of Planet Formation and Evolution)自 2003 年以来不断发展。Christoph Mordasini 表示:“对涉及行星形成和演变的多种过程的洞察力被整合到模型中。利用这个 Bern 模型,研究人员能够计算出冷却下来的恒星的这种岩石形成材料的成分。然后我们将其和岩质行星进行比较”。

该研究的主要作者、国际原子能机构的研究员瓦尔丹·阿迪贝基扬(Vardan Adibekyan)表示:“我们的结果表明,我们关于恒星和行星组成的假设并没有根本性的错误:岩质行星的组成确实与它们的主星的组成密切相关。然而,这种关系并不像我们预期的那样简单”。

该研究的共同作者、NCCR PlanetS 成员、苏黎世大学的 Ambizione 研究员 Caroline Dorn 表示:“然而,对于一些行星来说,行星中的铁丰度甚至高于恒星中的铁丰度。这可能是由于对这些行星的巨大撞击,打破了一些外部的、较轻的材料,而密集的铁核心仍然存在。因此,该结果可以为科学家提供有关这些行星历史的线索”。

Christoph Mordasini 解释说:“这项研究的结果对于约束根据质量和半径测量得出的计算密度而假定的行星组成也非常有用。由于不止一种成分可以适合某种密度,我们的研究结果告诉我们,我们可以根据宿主星的成分缩小潜在的成分。而且,由于行星的确切成分会影响,例如,它含有多少放射性物质或它的磁场有多强,它可以决定这个行星是否对生命友好”。

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