斯皮策太空望远镜带科学家探索巨型系外行星和矮行星

2022年01月18日 13:58 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

获悉,两项新研究通过使用NASA已经退役的斯皮策太空望远镜揭示了巨型系外行星和褐矮星的情况,这些天体不完全是恒星但也不完全是行星。这两项研究都是美国天文学会在1月13日举办的虚拟新闻发布会的焦点。

一项调查显示,褐矮星--它们像恒星一样形成,但没有足够的质量像恒星一样在核心中开始燃烧氢气--上的天气随年龄而变化。褐矮星和巨型系外行星在直径、质量和组成上都很相似,因此了解其中一个的大气特性可以为另一个的大气特性提供启示。

第二项研究属于一项研究热木星的工作,热木星是指跟母星运行距离极近的气体系外行星。这些大质量的行星是如何形成的,是否存在着具有不同形成过程的热木星子类?为了寻找答案,该研究的作者研究了系外行星XO-3b,这是一个罕见的热木星例子,它在迁移到其母星附近时被观察到。

系外行星的类似物

年龄往往给人类带来稳定,这一点似乎对宇宙天体也是如此。纽约美国自然历史博物馆的天体物理学家Johanna Vos将讨论发表在《Astrophysical Journal》上的一项斯皮策调查,该调查发现年轻的褐矮星的天气变化比老的褐矮星要高。

关于褐矮星,变异性这个词指的是来自天体大气层的不同波长的红外光强度的短期变化。天文学家认为这些变化是由云层引起,而云层在大气中反射和吸收光线。

高变异性可能表明一个主要的大气特征,也许就像木星的大红斑--一个比地球还大的风暴,已经旋转了数百年之久。它还可以表明一个快速变化的大气层,这可能有多种原因,如大气层中的重大温度差异或湍流。

将年轻的褐矮星与跟之前斯皮策对较老的褐矮星的观测相比较,研究人员们发现年轻的天体更有可能出现大气层的变化。他们还发现,年轻的褐矮星的变化更大、更剧烈。Vos和她的同事将这种差异归因于这样一个事实,即褐矮星在年轻时比较膨大,但随着年龄的增长会变得更加紧凑,这可能使大气层看起来更加均匀。

年轻的褐矮星在直径、质量和组成上与跟主要由气体组成的巨型系外行星相似。但研究大型系外行星由于其母星的密切存在而变得复杂。伴星会照射行星的大气层,这会改变温度甚至化学成分并影响天气。来自恒星的亮光也使得看到更暗的行星更加困难。

另一方面,褐矮星可以作为一种对照组,在太空中被孤立地观察。该研究的作者计划将这一新发现纳入褐矮星和巨型系外行星大气层如何随年龄演变的模型中。

迁移的巨人

尽管热木星是研究最多的系外行星类型,但关于它们如何形成的主要问题仍然存在。例如,这些行星是在远离母星的地方形成的--在这个距离上,水等分子足够冷,可以变成固体--还是在更近的地方?第一种情况更符合关于我们自己的太阳系中的行星是如何诞生的理论,但是什么促使这些类型的行星迁移到离其母星如此之近的地方仍不清楚。

蒙特利尔麦吉尔大学的系外行星科学家Lisa Dang和她的同事利用斯皮策数据研究了一颗名为XO-3b的系外行星,它的轨道是偏心的(椭圆形),而非几乎所有其他已知热木星的圆形轨道。偏心轨道表明XO-3b最近可能向其母星迁移,如果是这样的话,它最终会稳定在一个更圆的轨道上。

欧空局(ESA)的Gaia空间观测站和斯皮策的观测结果都表明,这颗行星会产生一些自己的热量,但科学家们不知道原因。斯皮策的数据还提供了一张行星的气候模式图。多余的热量有可能来自于行星的内部,通过一种叫做潮汐加热的方式。恒星对行星的引力挤压则会随着不规则的轨道将行星带向更远的地方,然后再接近恒星而摆动。由此产生的内部压力变化产生热量。

对Dang来说,一个不寻常的热木星提供了一个测试关于哪些形成过程可能在这些系外行星中产生某些特征的想法的机会。比如其他热木星的潮汐加热是否也是近期迁移的标志?XO-3b本身不会解开这个谜团,但它是对有关这些炙热巨行星的新兴观点的一个重要测试。

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