一颗奇怪的行星被发现,它比海王星小,但质量比海王星大50%

 宇航员已经在太阳系中发现了另一个奇怪的外星球。这个外星球十分古怪,因为它的大小介于地球和海王星之间,然而它的密度却比海王星大50%以上。

  宇航员之前已经在其他太阳系发现了“膨胀行星”。“膨胀行星”的密度是地球密度的几倍,但是它的半径却比海王星的半径还要大。但是这次发现的行星和“膨胀行星”刚好相反。它的密度超过了海王星,但是他也有更小的半径。超级密度,而不是超级膨胀。

  这颗奇怪的行星的发现正质疑着以往人们对行星形成的理解。天文学家和美国国家基金会NOIRLab研究了这颗行星并将结果发表在题名:“The Habitable-zone Planet Finder Reveals A High Mass and a Low Obliquity for the Young Neptune K2-25b.”(宜居带行星探测器发现一颗高质量、低倾角海王星状行星K2-25b)的论文上。该文的第一作者是Gudmundur Stefansson,是普林斯顿大学的一名博士后研究员。

  这篇论文将发表在The Astronomical Journal杂志,并可通过arxiv.org获取。开普勒计划于2016年发现了这颗行星,它正围绕着Hyades星团中的一颗M矮星运行,围绕周期是3.5天。根据这篇研究,K2-25b的质量是地球的24.5倍,半径却只是地球的3.4倍。在研究介绍部分,作者写道:“这些特性就犹如一个岩石的内核被一层薄薄的氢-氦包裹(质量比5%)”

  K2-25b在Hyades星团中围绕其主星运行。图片来源:NOIRLab/NSF/AURA/Digitized Sky Survey 2

  这颗行星引起天文学家的兴趣的原因部分是K2-25b是一颗次海王星。次海王星比海王星有更大的质量和更小的半径,就如K2-25b;或者有相对较小的质量和较大的半径。无论是哪一种,次海王星的存在违背了当前关于行星形成的理论。目前在系外行星研究前沿,理解这类行星的形成依然是一个难题。“K2-25b不寻常!”研究领队-普林斯顿博士后研究员Gudmundur Stefansson在新闻稿中说,“与其他距离主星很近的年轻次海王星相比,它比相近大小、年龄的行星都密集”。“通常这些行星密度较低 —一些甚至有膨胀的气体层。而现有的观测数据看来,K2-25b似乎有着一个密实的岩石核心或者富水核,以及一层薄薄的气体层。”

  天文学模型表明大行星首先形成岩石核心,最初的核心质量是适中的,可能只是地球的5到10倍。之后气体聚集在核心周围,形成一个气体包裹层,其质量为地球的数百倍。气态巨行星木星就是以类似的方式形成的。

  但是K2-25b行星的出现却表明我们的理解还是不足的。K2-25b有一个巨大的大质量岩石核心,且仅有微小的气体层。这个非同寻常的特性引出了几个问题:他如何形成一个巨大的岩核?既然有如此高质量的核心,为什么却没有形成大量的气体层?

   图为一个原行星盘,行星从新生恒星周围的剩余物质中聚集形成,一个岩心首先形成然后吸引气体形成气体包裹层;K2-25b却有所不同,它有一个大质量的岩心和较小的气体层。图片来源于:NASA/JPL-Caltech/T. Pyle (SSC)。但是我们却不完全理解K2-25b以及类似的行星是如何形成的,K2-25b是研究这类行星的天然对象。“鉴于已知其年龄和明确的轨道参数”,论文作者说,“K2-25b是研究M矮行星形成和后续动力学的标准体系,使我们对其他系外类海王星的产生和迁移有进一步的了解”

  考虑到它的大核心,它应该形成一个巨大的气体包裹层。然而事实并非如此,原因有几种可能。作者认为一种可能是岩心是通过合并形成,“如何解释它的大质量这一点,我们推测K2-25b 可能是许多小行星内核合并的产物,从而形成了一个大质量行星。”

  文章中的这幅图描绘了K2-25b、其他系外行星以及太阳系行星的质量半径平面图。红色曲线是根据已知行星形成模型中岩核和氢氦气体层数据绘制,详细内容请参见研究。图来源于: Stefansson et al, 2020.这种解释也有助于解释行星轨道偏心率的形成,作者写道:“如此的动态环境会使 K2-25b轨道更倾向于偏心轨道,K2-25b也可能正通过与恒星的潮汐作用迁移到更短的周期轨道上。”

  像这样的发现常常是科技进步的结果,在欧洲南方天文台超大型望远镜像SPHERE(球体)这样的仪器,为最近的许多发现负责。但在这种情况下,是值五百美元可现货供应的传播器使得这项科技成为可能。首席研究者Gudmundur Stefansson在他的博士论文中运用了一种方式,即使用工程化的传播器。

  图片来源:Gudmundur Stefansson/RPC光子学

  工程扩散器将来自恒星的光扩散开来,使它可覆盖相机上更多的像素点。这样可以更精确的测量行星经过时恒星的亮度,从而更精确的测量沿轨道运行的行星的大小以及其他参数。参与这项研究的来自NOIRLab的天文学家Jayadev Rajagopal说:“这个创新的扩散器使我们能够更好的定义凌日的形状,从而进一步限制行星的大小、密度和组成成分。”

  K2-25b给天文学家提出了一些重要的问题。对于这些问题的答案将不得不等待,但可能不会等太久。K2-25b是James Webb太空望远镜后续观测的主要候选对象。James Webb太空望远镜将配备可以阻挡太阳外光线的强大日冕仪,使其更容易看到在轨道运行的行星。它还会用红外线进行观测,这是它位于L2上的优势。

  双子座南望远镜的GHOST(双子座高分辨率光学摄谱仪)也将K2-25b列于它的目标清单上。据该网站介绍,这是一个具有“在高观测效率上广泛同步波长覆盖”的摄谱仪。它对于观测类似K2-25b的行星的大气层非常有效。

  用GUOST和JWST得到的观测结果也许不能回答K2-25b所提出的关于行星形成的全部问题。但是他们可以扩展我们对于K2-25b所知以及所不知的界限。同时,也许更多的天文学家将会提出低成本的方法来解决这些问题。

  这台摄谱仪和基特峰国家天文台(KPNO)的WIYN0.9米的望远镜同时使用使得这项研究更加有效。位于新墨西哥州阿帕奇波因特天文台(APO)的3.5米的望远镜也是这项研究的一部分。国家红外光学天文研究实验室(NOIRLab)包括双子星天文台,基特峰天文台以及一些其他设施和即将到来的维拉·鲁宾天文台。


  作者:EVAN GOUGH

  FY:Astronomical volunteer team

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