小恒星附近發(fā)現(xiàn)巨行星

編譯 夏冰

天文學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)了一顆巨行星。然而，他們表示，根據(jù)現(xiàn)有理論，這種行星不應(yīng)該存在。

相較它環(huán)繞的恒星來說，這顆類木行星大得有點(diǎn)不同尋常，甚至挑戰(zhàn)了天文學(xué)家對(duì)行星形成機(jī)制的普遍觀點(diǎn)。

這顆距我們284萬億千米的恒星是顆M型紅矮星——我們銀河系中最常見的類型。前不久，一個(gè)天文學(xué)國際團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》雜志上公布了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)?！斑@個(gè)發(fā)現(xiàn)很令人激動(dòng)，因?yàn)槲覀円恢倍加羞@樣一個(gè)疑問：像木星和土星這樣的巨行星可以在那么小的恒星附近形成嗎？”英國華威大學(xué)教授彼得·惠特利（Peter Wheatley）說，他并沒有參與這項(xiàng)研究。

這顆紅矮星的質(zhì)量當(dāng)然要比環(huán)繞它運(yùn)動(dòng)的行星（GJ3512b）大，但它們之間的質(zhì)量差距要比太陽和木星之間的質(zhì)量差距小得多。這顆遙遠(yuǎn)恒星的質(zhì)量最多只比它的行星大270倍。而太陽的質(zhì)量大約比木星高出1 050倍。

天文學(xué)家借助位于西班牙的卡拉阿托天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)了這顆恒星。他們運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬展示了行星形成理論：塵埃和氣體構(gòu)成的“原始行星盤”環(huán)繞著剛出生不久的恒星運(yùn)動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，行星就在這些氣體云中誕生。這類模擬預(yù)測(cè)，質(zhì)量微小的M型矮星附近應(yīng)該聚集著大量小型行星。

“在這類恒星周圍，應(yīng)該只能存在地球這么大的行星，最多也就是超級(jí)地球那種大小?！比鹗坎疇柲岽髮W(xué)教授、《科學(xué)》這篇文章的聯(lián)合作者克里斯多夫·莫達(dá)希尼（Christoph Mordasini）說。恒星Trappist-1的行星系統(tǒng)就是完美符合這個(gè)理論的真實(shí)例子。

Trappist-1這顆距太陽369萬億千米（約39光年）的恒星擁有7顆行星，每一顆的質(zhì)量都大致等于或略微小于地球。

“然而，GJ3512b是一顆質(zhì)量大約有木星一半的巨行星。這意味著它的質(zhì)量至少要比理論模型預(yù)測(cè)的大一個(gè)數(shù)量級(jí)?！蹦_(dá)希尼教授說。因此，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了天文學(xué)家此前普遍秉持的以核心吸積為基礎(chǔ)的行星形成理論。

“我們通常認(rèn)為巨行星起始于一個(gè)冰核，它們往往處在環(huán)繞年輕恒星運(yùn)動(dòng)的氣體云的外側(cè)，通過不斷吸收氣體迅速增大質(zhì)量。”惠特利教授說，“但這篇文章的作者們提出，小恒星周圍的吸積盤提供不了那么多氣體。相反，他們認(rèn)為更有可能出現(xiàn)的情況是：當(dāng)行星盤的某部分因?yàn)樽陨硪Χs時(shí)，就迅速形成了巨行星?！?/p>

《科學(xué)》這篇文章的作者提出，當(dāng)行星盤中的氣體和塵埃的質(zhì)量超過母恒星的1/10時(shí)，這種坍縮就會(huì)出現(xiàn)。在這種情況下，恒星的引力效應(yīng)不足以讓行星盤保持穩(wěn)定。

于是，行星盤中的物質(zhì)就會(huì)向內(nèi)收縮，形成一個(gè)由引力束縛的物質(zhì)團(tuán)塊。隨著時(shí)間的推移，這個(gè)團(tuán)塊逐漸形成了行星。這個(gè)觀點(diǎn)預(yù)言，這類坍縮發(fā)生于行星盤的極外側(cè)，而通過核吸積形成的巨行星可以出現(xiàn)在離恒星近得多的地方。

2017年，幾位天文學(xué)家撰文介紹了由位于智利的英國望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的氣態(tài)巨行星NGTS-1b。惠特利教授正是文章的一位作者。NGTS-1b的母恒星也是一顆M型紅矮星，距我們約5 000萬億千米（600光年）遠(yuǎn)。相對(duì)母恒星的質(zhì)量而言，NGTS-1b同樣大得驚人。

“NGTS-1b的母恒星比較小，但比最新發(fā)現(xiàn)的這個(gè)GJ3512b還是大了不少?；蛟S，NGTS-1b代表了能夠通過核吸積方式產(chǎn)生近距離巨行星的最小母恒星。比它還小的恒星要想產(chǎn)生巨行星，就只有通過行星盤極遠(yuǎn)處的引力坍縮模式了，就像《科學(xué)》那篇文章的作者提出的那樣。”惠特利教授說。

“這類預(yù)測(cè)價(jià)值連城，對(duì)未來的研究具有導(dǎo)向作用，還能讓我們檢驗(yàn)自己的理論模型是否正確?！?/p>

實(shí)際上，這篇文章的作者也提出，GJ3512b一定遷徙了相當(dāng)長(zhǎng)的一段距離，才出現(xiàn)在了現(xiàn)在的位置。這段距離應(yīng)該略少于1天文單位（1.5億千米）。

GJ3512b的公轉(zhuǎn)軌道呈橢圓形，公轉(zhuǎn)周期204天。大部分時(shí)候，GJ3512b與母恒星之間的距離要小于水星與太陽之間的距離。這顆氣態(tài)巨行星的偏心軌道表明，更遠(yuǎn)處還有其他巨行星，后者會(huì)讓GJ3512b的軌道變形。

文章的一位聯(lián)合作者、德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的休伯特·克拉爾（Hubert Klahr）說：“在此之前，形成過程和行星盤不穩(wěn)定理論相符的行星就只有一小部分年輕、熾熱且質(zhì)量極大的行星，它們都離自己的母恒星很遠(yuǎn)?！?/p>

“GJ3512b的出現(xiàn)，讓我們有了一個(gè)特別的候選者。它代表了在極小質(zhì)量恒星附近因行星盤不穩(wěn)定而誕生的那些行星。這個(gè)發(fā)現(xiàn)提醒我們，得重新審視現(xiàn)有模型了。”