一太阳系外行星竟然消失了?它究竟有没有存在过?

简介:这篇文章是基于2020年4月Fomalhaut星的小行星体爆炸的模型论文,解释近期Fomalhaut b“星体”消失的现象。一个可能的原因就是Fomalhaut b是爆炸产生出的尘云。因为这个一度被认为是星体的物体能够发出异常亮的可见光,但却没有能探测到红外热度特征。另外其运行轨迹粒子颗粒方向也是遵循扩散式而非一般椭圆式。

图解:左边的彩色哈勃图像是一个巨大的冰状碎片环围绕着位于25光年之外的Fomalhaut星。这颗恒星非常明亮,一个黑色的掩星被用来遮挡它的强光,这样就可以拍摄到尘埃环。2008年,天文学家们看到了他们认为的第一张远离恒星运行的行星的直接图像。然而,到2014年,这颗候选行星在哈勃的探测下消失了。最好的解释是,这个物体根本就不是一颗完整的行星,而是两个小天体碰撞后形成的一团不断膨胀的尘埃,每个小天体直径约为125英里。右边的图表是基于对膨胀和消退的云的模拟。该云由非常细小的尘埃粒子组成,目前估计直径超过2亿英里。像这样的灾难估计每200,000年发生一次。因此,哈勃在正确的时间看到了正确的地方来捕捉这个短暂的事件。(图源:NASA)

现在你看得见,现在你看不见。

天文学家认为是太阳系之外的一颗行星,现在似乎已经从视线中消失了。虽然在科幻小说中,这种情况常发生,比如超人的母星氪星爆炸,但在现实生活中,科学家正在寻找合理的解释。

一种解释是,与其说它是一个完整的行星体(2004年首次被拍到),不如说它是一个巨大的、不断膨胀的尘埃云,它是在两个绕着附近明亮的恒星Fomalhaut运行的大型天体碰撞中产生的。后续观测可能会证实这一不可思议的结论。

"这些碰撞极其罕见,我们实际上可以看到一次碰撞,这是大事,"亚利桑那大学图森分校(the University of Arizona, Tucson)的安德烈斯·卡斯珀(András Gáspár)说。"我们相信,我们在正确的时间,在正确的地点,用NASA的哈勃太空望远镜见证了这样一个不太可能发生的事件。"

“Fomalhaut 系统是验证我们所有关于系外行星和恒星系统如何演化的想法的最终测试实验室,” 亚利桑那大学斯图尔德天文台(Steward Observatory)的乔治·里克(George Rieke)补充道。"我们确实有证据表明在其他天体系统中存在这种碰撞,但在我们的太阳系中还没有观察到这种程度的碰撞。这是一个行星如何相互摧毁的蓝图"。基于2004年和2006年拍摄的数据,这个被称为Fomalhaut b的星体于2008年首次公布。在几年的哈勃观测中,它清晰可见,显示为一个移动的点。在此之前,系外行星的证据大多是通过间接探测方法推断出来的,比如恒星细微的前后晃动和行星在恒星前经过产生的阴影。

然而,与其他直接成像的系外行星不同的是,Fomalhaut b很早就出现了困扰人的难题。该天体在可见光下异常明亮,但没有任何可探测到的红外热信号。天文学家猜测,增加的亮度来自于环绕这颗行星的巨大外壳或尘埃环,这可能与碰撞有关。Fomalhaut b的轨道也显得不寻常,可能非常偏心。

图解:Formalhaut系统(图源:Hubble)

"我们的研究,分析了所有哈勃现有的有关Fomalhaut的档案数据,揭示了它的几个特征,这些特征共同描绘了一个画面,即这个行星大小的物体可能根本就不存在”,卡斯珀说。

该团队强调,最后板上钉钉的是,当他们对2014年拍摄的哈勃图像进行数据分析后,显示该天体已经消失,这令他们难以置信。他们说,早些时候的图像显示该物体随着时间的推移不断地消逝,这更增加了神秘感。"很明显,Fomalhaut b在做一个真正的行星不应该做的事情",卡斯珀说。

解释是,Fomalhaut b正在从碰撞中慢慢膨胀,这一碰撞将正在消散的尘埃云轰入太空。考虑到所有可用的数据,卡斯珀和里克认为该碰撞发生在2004年第一次观测前不久。到现在,由1微米左右(约为人类头发直径的1/50)的尘埃粒子所组成的碎片云已经低于哈勃的探测极限。据估计,尘埃云到现在已经膨胀到比地球绕太阳运行的轨道还要大。

同样令人困惑的是,该团队报告称,该天体更有可能处于逃逸路径上,而不是像行星预期的那样处于椭圆轨道上。这一猜想是基于研究人员将后来的观测结果添加到早期数据的轨迹图上。"诞生的大规模尘埃云,经受了来自中心恒星Fomalhaut的相当大的辐射力,将处于如此的轨迹上",卡斯珀说。"我们的模型自然能够解释该系统的所有独立可观测参数:其膨胀率、消逝与轨迹。"

由于Fomalhaut b目前处于环绕恒星的巨大冰屑环内,碰撞体很可能是冰和尘埃的混合物,就像存在于太阳系外缘柯伊伯带(Kuiper belt)的彗星一样。卡斯珀和里克估计,这些类似彗星的天体每颗直径约为125英里(200公里,大约是小行星灶神星(Vesta)大小的一半)。

根据作者的说法,他们的模型解释了Fomalhaut b的所有观测特征。在亚利桑那大学的计算机集群上完成的复杂尘埃动力学建模表明,这种模型能够适合所有的定量观测结果。根据作者的计算,位于距离地球约25光年的Fomalhaut系统可能每20万年才发生一次这样的事件。

图解:柯伊伯带(Kuiper belt)(图源:PBS LearningMedia)

卡斯珀和里克--以及扩展团队的其他成员--还将利用美国宇航局即将推出的詹姆斯-韦伯太空望远镜, 在其进行科学运作的第一年,对Fomalhaut系统进行观测。该团队将直接对该系统的内部温暖区域进行成像,首次从空间上解析一个太阳系外行星系统中难以解释的小行星带成分。该团队还将寻找围绕Fomalhaut运行的真正行星,这些行星可能在引力作用下雕琢外盘。他们还将分析圆盘的化学成分。

他们的论文《新的HST[哈勃]数据和建模揭示了围绕Fomalhaut的大规模行星小碰撞(New HST [Hubble] data and modeling reveal a massive planetesimal collision around Fomalhaut )》。将于2020年4月20日发表在《美国国家科学院院刊》上。

哈勃太空望远镜是NASA和ESA(欧洲航天局)的国际合作项目。NASA位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的空间望远镜研究所(STScI)负责哈勃的科学操作。空间望远镜研究所由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会(the Association of Universities for Research in Astronomy)为NASA运营。

作者: Rob Garner

FY: JuJunia

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