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200光年外,最大的超級地球被發現,表面流動巖漿海洋
2022/12/02

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在太陽系中,八大行星可以分為兩類——氣體行星和巖石行星。氣體行星中半徑最小的是海王星,約為24764公里;巖石行星中最大的是地球,半徑6378公里,二者相差了約3.86倍。

看起來,比海王星大的都是氣體行星,比地球小的都是巖石行星。但是,地球和海王星的半徑之間還有一個巨大的空缺,那麼位于二者之間的行星屬于哪一類行星呢?

隨著天文學家發現了系外行星,答案似乎越來越清晰。果然,即便是在太陽系之外,巨大的行星也都是以氫和氦元素為主,小一點的行星都有固體表面。

但是,盡管天文學家發現了半徑位于地球和海王星之間的系外行星,卻只是稍微縮小了這個空缺,而不是完全填補。前幾天我們剛剛介紹過,系外行星的半徑普遍小于地球的1.4倍,或者大于地球的2.5倍,在此之間的系外行星非常少。

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尤其是在靠近恒星的位置,1.8倍地球半徑的系外行星發現得更少,這個現象被稱為「半徑峽谷」。

天文學家們提出了一些理論來解釋這個現象,其中一個比較主流:如果系外行星達到一定尺寸(以2.5倍地球半徑為例)后,其質量也足夠大,能夠束縛大量的大氣;如果系外行星的巖體不夠大(以1.4倍地球半徑為例),哪怕它曾經有濃厚的大氣層,使其半徑足夠大(比如達到了地球半徑的1.8倍),但大氣還是會被吹散,以至于半徑還是以巖體為主。

所以,只有我們的運氣足夠好,才能發現相對比較小的行星,還沒來得及失去全部的大氣。按照上面的理論,半徑介于地球1.4~2.5倍之間的行星,巖體應該和地球差不多,并且擁有一個以氫和氦為主的非常濃厚的大氣層。

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最近,天文學家還真的發現了一顆半徑處在該范圍內的系外行星。按理說他們應該解答了許多問題,實際上恰恰相反,這顆行星顯得更詭異了。

這顆系外行星名叫TOI-1075b,距離地球大約200光年。它是由美國宇航局的凌星系外行星巡天(TESS)衛星發現的,也就是說,當它運行到宿主恒星和地球之間的時候,會短暫地降低宿主恒星的亮度天文學家就是這樣發現它的。再通過其他方面的觀測,就可以確認它的存在了。

凌星法有一個好處,那就是根據恒星亮度的規則變化,就可以確定系外行星的公轉周期。

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不僅如此,根據恒星亮度變化的幅度,天文學家還能夠判斷系外行星的半徑。

結果表明,TOI-1075b的公轉周期僅有14.5個小時,也就是說這里的一年比地球的一天還短!毫無疑問,它和宿主恒星之間的距離非常近。而且,它的半徑大約是地球的1.72倍,恰好落在半徑峽谷內。

長期研究超級地球的麻省理工學院天文學家Zahra Essack注意到了這顆行星的特殊之處,對它非常感興趣,于是展開了進一步的研究。她首先要了解的,就是TOI-1075b的質量,這對我們了解它的本質來說至關重要。

測量系外行星的質量并不是很困難,其利用的原理就是萬有引力定律。行星和恒星之間有引力的相互作用,看起來行星是繞著恒星公轉,但恒星也會被行星的引力拖曳,發生輕微的抖動。

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這種抖動很輕微,通過直接觀測是很難獲得的,而是需要利用恒星的光譜變化來計算。

我們知道,引力和質量的平方成反比。所以,得到恒星的抖動幅度之外,再對比行星的軌道,就可以知道兩顆天體的質量比。接下來,只要知道恒星的質量就可以了。

TOI-1075屬于一顆橙矮星,質量是太陽的60%。計算下來,TOI-1075b的質量就是地球的9.95倍。并且Essack等人的進一步觀測更新的行星的半徑,大約是地球的1.791倍。

有了行星的半徑和質量,就可以計算它的密度了。令人驚訝的是,它的密度達到了每立方厘米9.32克。毫無疑問,這個密度遠遠超過了木星(每立方厘米1.33克)這樣的氣體行星,可以確定它是巖石行星。不僅如此,它的密度比太陽系密度最大的地球(每立方厘米5.51克)還高得多!

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按照以往的理論,這顆行星應該像氣體行星一樣有比較濃厚的氫氦大氣層。但這顆行星距離宿主恒星太近,氣體很容易被吹散,所以應該沒有這樣的大氣層。注意,我們說的是沒有濃厚的氫氦大氣層,不是說它完全沒有大氣層。實際上,它的表面很可能是一個非常詭異的世界。

研究人員認為,由于距離宿主恒星太近,TOI-1075b的表面應該極其炎熱,以至于裸露在地表的巖石都已經融化。換句話說,這顆行星的表面可能流動著巖漿的海洋!并且在高溫的作用下,巖漿甚至也會有一部分蒸發到空中,因此它應該有一個大氣層,只不過氣體的成分取決于行星巖石的組成物質,所以很有可能是硅酸鹽和富含金屬的恐怖大氣層。

也有一種比較小的可能性,它仍然保留著含有氫氣、氦氣以及二氧化碳的大氣,不過這部分大氣非常薄。

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上面提到的都是天文學家根據目前的數據推測的結果,未來還需要更多的觀測加以證明。幸運的是,天文學家現在有工具能夠進行這方面的觀測,那就是美國宇航局的詹姆斯·韋布太空望遠鏡。它可以進行光譜分析,幫助我們了解TOI-1075b到底有沒有大氣層及其成分。

就算沒有大氣層,這顆行星也不會讓我們失望,它有助于天文學家了解這種超級地球是如何失去大氣的。

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