DAOrayaki |星际移民到哪里?——寻找宜居的系外行星

最近,麻省理工学院和其他地方的天文学家在我们的银河系附近发现了一个新的多行星系统,距离地球仅 10 秒差距,大约 33 光年,使其成为已知最接近我们自己的多行星系统之一。

DAOrayaki |星际移民到哪里?——寻找宜居的系外行星

最近,麻省理工学院和其他地方的天文学家在我们的银河系附近发现了一个新的多行星系统,距离地球仅 10 秒差距,大约 33 光年,使其成为已知最接近我们自己的多行星系统之一。

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资助地址:  DAOrayaki.eth

投票进展:DAO Reviewer  1/0 通 过

赏金总量:60 USD

研究种类:Space Exploration, Exoplanets

原文作者:  ScienceDaily

创作者:Heyyawn@DAOrayaki.org

审核者:skyh@DAOrayaki.org

原文: Astronomers discover a multiplanet system nearby; Planetary bodies observed for first time in 'habitable zone' of dead star; Younger exoplanets are better candidates when looking for other Earths; Moons may yield clues to what makes planets habitable

Where Will We Go? —looking for exoplanets!

如何寻找系外行星[1]

最近,麻省理工学院和其他地方的天文学家在我们的银河系附近发现了一个新的多行星系统,距离地球仅 10 秒差距,大约 33 光年,使其成为已知最接近我们自己的多行星系统之一。

该星系的核心是一颗又小又凉爽的 M 矮星,名为 HD 260655,天文学家发现它至少拥有两颗地球大小的类地行星。岩石世界可能不适合居住。它们的轨道相对紧凑,使行星暴露在太高的温度下,无法维持液态地表水。

尽管如此,这个系统还是让科学家们很振奋,因为它的恒星的近距离和亮度将使他们能更仔细地观察行星的特性以及它们可能拥有的任何大气层的迹象。

麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所博士后、该发现的主要科学家 Michelle Kunimoto 说:“由于其恒星的亮度,该系统中的两颗行星都被认为是大气研究的最佳目标。这些行星周围是否存在富含挥发性物质的大气?是否有水或碳基物种的迹象?这些行星是这些探索的绝佳试验场。”

数据的力量

新的行星系统最初是由美国宇航局的凌日系外行星调查卫星(TESS)确定的,该任务由麻省理工学院领导,旨在观察最近距离和最明亮的恒星,并探测周期性的光线下降,这意味着可能有行星凌日。

2021 年 10 月,麻省理工学院 TESS 科学团队的成员 Kunimoto 正在监测卫星的传入数据,当时她注意到来自 HD 260655 恒星的星光或凌日的一对周期性下降。

她通过任务中的科学检查通道进行检测,这些信号很快被归类为两个 TESS 感兴趣的对象,或 TOI——被标记为潜在行星的对象。科学处理操作中心 (SPOC) 也独立发现了相同的信号,该中心是位于 NASA Ames 的官方 TESS 行星搜索通道。科学家们通常计划用其他望远镜来确认这些物体确实是行星。

对新行星进行分类和随后确认的过程通常需要数年时间。对于 HD 260655,该过程在存档数据的帮助下显著缩短。

在 Kunimoto 发现 HD 260655 周围的两颗潜在行星后不久,Shporer 开始查看这颗恒星是否曾被其他望远镜观测到。幸运的是,HD 260655 被夏威夷凯克天文台的高分辨率阶梯光谱仪(HIRES)列入了恒星调查的名单。自 1998 年以来,HIRES 一直在监测这颗恒星以及许多其他恒星,研究人员能够访问该调查名单的公开数据。

HD 260655 也被列为 CARMENES 另一项独立调查的一部分,该仪器是西班牙卡拉尔阿尔托天文台(Calar Alto Observatory)的一部分。由于这些数据是私有的,团队联系了 HIRES 和 CARMENES 的成员,目的是结合他们数据的力量。

“这些谈判有时非常微妙,” Shporer 说,“幸运的是,团队同意一起工作。这种人际互动对于获取数据(与实际观察结果)几乎同样重要。”

行星拉力

最后,这项合作很快在大约六个月的时间内证实了 HD 260655 周围存在两颗行星。

为了确认来自 TESS 的信号确实来自两颗轨道行星,研究人员查看了这颗恒星的 HIRES 和 CARMENES 数据。两项调查都测量了恒星的引力摆动,也称为径向速度。

“每颗围绕恒星运行的行星都会对其恒星产生一点引力,” Kunimoto 解释道。“我们正在寻找的是那颗恒星的任何轻微运动,这可能表明一个行星质量的物体正在拉扯它。”

从两组档案数据中,研究人员发现了具有统计学意义的迹象,表明 TESS 检测到的信号确实是两颗轨道行星。

“然后我们知道我们发现一些非常令人兴奋的东西。” Shporer 说。

之后,该团队更仔细地查看了 TESS 数据,以确定两颗行星的特性,包括它们的轨道周期和大小。他们确定,被称为 HD 260655b 的内行星每 2.8 天绕恒星运行一次,大小约是地球的 1.2 倍。第二颗外行星 HD 260655c 每5.7天绕一圈,是地球的1.5倍。

根据来自 HIRES 和 CARMENES 的径向速度数据,研究人员能够计算出行星的质量,这与每颗行星牵引其恒星的幅度直接相关。他们发现内行星的质量约为地球的两倍,而外行星的质量约为地球的三倍。根据它们的大小和质量,该团队估计了每颗行星的密度。内部较小的行星比地球密度稍大,而外部较大的行星密度稍小。这两颗行星,根据它们的密度,很可能是类地行星,或者在成分上是岩石。

研究人员还根据它们的短轨道估计,内行星的表面温度为 710 开尔文(436.8 摄氏度),而外行星的温度约为 560 开尔文(286.8 摄氏度)。

“我们认为这个范围超出了宜居带,太热了,液态水不可能存在于地表。” Kunimoto 说。

Shporer 补充道:“但系统中可能有更多的行星。有许多的多行星系统拥有五六颗行星,尤其是在像这样的小恒星周围。希望我们能找到更多,或许其中一颗就在宜居带内。这是乐观的想法。”

在死星的“宜居带”观测到行星体[2]

宜居带指的是行星系中适合生命存在的区域,有时也称为金发姑娘区(Goldilocks zone),是理论上其温度允许液态水存在于行星表面的区域。在适居带有利于生命的发展,并且有可能像地球般出现高等生命。与像太阳这样的恒星相比,白矮星的宜居带会更小,更靠近恒星,因为白矮星发出的光更少,因此热量也更少。

根据伦敦大学学院研究人员领导的一项新研究,已观察到一圈镶嵌着月球大小结构的行星碎片围绕着一颗白矮星运行,表明附近有一颗行星位于可能存在水和生命的“宜居带”。

白矮星是发光的恒星余烬,它们烧尽了所有的氢燃料。几乎所有的恒星,包括太阳,最终都会变成白矮星,但我们对它们的行星系统知之甚少。

在这项发表在《皇家天文学会月刊》上的研究中,一个国际研究小组使用来自地面和空间望远镜的数据测量了来自银河系白矮星 WD1054-226 的光。

令他们惊讶的是,他们发现明显的光线下降与每 25 小时围绕恒星运行的 65 个均匀分布的行星碎片云相对应。研究人员得出的结论是,凌日结构的精确规律——每 23 分钟使恒星的光线变暗——表明它们被附近的行星保持在如此精确的排列中。

主要作者伦敦大学学院物理与天文学教授 Jay Farihi 说:“这是天文学家第一次在白矮星的宜居带探测到某种类型的行星体。

“我们观察到的月球大小的结构是不规则的和尘土飞扬的(例如彗星状),而不是固态的球体。它们的绝对规律性(每 23 分钟从恒星前面经过一次)是我们目前无法解释的谜。

“一个令人兴奋的可能性是,由于附近行星的引力影响,这些天体保持在如此均匀间隔的轨道模式中。如果没有这种影响,摩擦和碰撞会导致结构分散,失去观察到的精确规律。这种“牧羊”的先例是海王星和土星周围卫星的引力有助于创造围绕这些行星运行的稳定环状结构。

“行星在宜居带内的可能性振奋人心,这也出乎意料——我们的目的并不是在寻找这个。但是,重要的是要记住,我们需要更多的证据来确认行星的存在。我们无法直接观测到这颗行星,但可以通过将计算机模型与进一步观察到的恒星和轨道碎片进行比较来确认。”

预计这颗围绕白矮星的轨道将在其生命的巨星阶段被清除,因此任何可能拥有水和生命的行星都将是最近的发展。该地区将可以居住的时间至少 20 亿年,即在未来还能居住至少 10 亿年。

超过 95% 的恒星最终会变成白矮星。而最大的恒星作为例外,它们会爆炸并变成黑洞或中子星。

Farihi 教授补充说:“由于我们的太阳将在数十亿年后变成白矮星,因此我们的研究让我们得以一窥我们自己太阳系的未来。”

当恒星开始耗尽氢时,它们会膨胀并冷却,变成红巨星。太阳将在 40 到 50 亿年后进入这一阶段,吞噬水星、金星,可能还有地球。一旦外层物质被轻轻吹走,氢被耗尽,恒星的炽热核心仍然存在,并在数十亿年的时间里缓慢冷却——这就是恒星的白矮星阶段。

围绕白矮星运行的行星对天文学家来说具有挑战性,因为这些恒星比主序星(如太阳)暗得多。到目前为止,天文学家只发现了气态巨行星(如木星)围绕白矮星运行的初步证据。

在这项新研究中,研究人员使用位于智利新罗天文台(La Silla Observatory)ESO 3.5m 新技术望远镜 (NTT) 上的 ULTRACAM 高速相机记录了 18 个夜晚中WD1054-226的光线变化。为了更好地解释光线的变化,研究人员还查看了来自美国宇航局凌日系外行星调查卫星 (TESS) 的数据,这使研究人员能够确认行星结构的轨道环绕时间为 25 小时。

他们发现 WD1054-226 发出的光总是被从它前面经过的巨大的轨道物质云所遮蔽,这表明有一圈行星碎片围绕着这颗恒星运行。

在寻找其他地球时,年轻的系外行星是更好的候选者[3]

迄今为止发现的一些系外行星可能太老了,无法支持类似地球的温和气候。在寻找其他地球时,年轻的系外行星是更好的候选者。

在科学界寻找围绕附近恒星运行、可能孕育生命的世界时,西南研究所领导的新研究表明,较年轻的岩石系外行星更有可能支持类似地球的温和气候。

过去,科学家们专注于位于恒星宜居带内的行星,在那里,对于液态地表水来说既不太热也不太冷。然而,即使在这个所谓的“适居带”内,行星仍然可以发展出不适合生命生存的气候。维持温和气候还需要行星有足够的热量来驱动一个星球级的碳循环。这种能量的一个关键来源是铀、钍和钾的放射性同位素衰变。这个关键的热源可以为岩石系外行星的地幔对流提供动力,在行星核心和地壳之间区域缓慢蠕动,最终在地表融化。表面火山脱气是大气中二氧化碳的主要来源,这有助于保持一个星球的温暖。如果没有地幔脱气,行星就不可能像地球一样适应温带的宜居气候。

关于这项研究的《天体物理学杂志快报》论文的主要作者 Cayman Unterborn 博士说:“我们知道这些放射性元素对于调节气候必要的,但是我们不知道这些元素能做多久,因为它们会随着时间的推移而衰变。此外,放射性元素在整个银河系中的分布并不均匀,随着行星的老化,它们可能会耗尽热量,脱气也会停止。因为行星可能相较于地球含有更多或更少的这些元素,我们想了解这种变化可能如何影响岩质系外行星能够支持多长时间类似地球的温和气候。"

研究系外行星具有挑战性。今天的技术无法测量系外行星表面的成分,更不用说它的内部成分了。然而,科学家们可以通过研究光如何与恒星上层的元素相互作用来测量恒星中的元素丰度。利用这些数据,科学家们可以使用恒星成分作为其行星的粗略代表来推断恒星的轨道行星是由什么构成的。

Unterborn 说:“利用宿主恒星来估计在整个银河系历史中含有这些元素的行星数量,我们计算以估计行星在多长时间内有足够的火山活动来维持温和气候,然后再耗尽能量。在最悲观的条件下,我们估计对于地球质量的行星来说,这个临界年龄只有大约 20 亿年,而在更乐观的条件下,对于质量更高的行星来说,这个临界年龄会达到 50-60 亿年。对于我们研究数年的少数行星,我们发现只有少数行星足够年轻,我们可以自信地说,当我们用詹姆斯韦伯太空望远镜观察它时,它们在今天可以对碳进行表面脱气。”

这项研究将通过将直接或间接观测数据与动力学模型相结合,以了解哪些参数最能影响系外行星支持温和气候的能力。更多的实验室实验和计算建模将量化这些参数的合理范围,特别是在詹姆斯韦伯太空望远镜时代,它将为单个目标提供更深入的描述。通过韦伯望远镜,将有可能测量系外行星大气的三维变化。这些测量将加深对大气过程及其与行星表面和内部相互作用的了解,这将使科学家能够更好地估计宜居带的岩石系外行星是否过于古老而不与地球相似。

Unterborn 说:“没有主动脱气的系外行星更有可能是寒冷的雪球行星。虽然我们不能说其他行星今天没有脱气,但我们可以说它们需要特殊的条件才能做到这一点,例如潮汐加热或经历板块构造。这包括在TRAPPIST-1 恒星系统。无论如何,寻找气候温和的年轻行星可能是寻找其他地球的最简单方法。“

卫星可能会提供使行星适合居住的线索[4]

地球的卫星对于使地球成为我们今天所知的星球至关重要:月球控制着白天的长度和海洋潮汐,这影响着我们星球上生命体的生物周期。月球还通过稳定地球的自旋轴为地球气候做出贡献,为生命的发展和进化提供了理想的环境。

由于月球对地球上的生命如此重要,科学家们推测,卫星可能是其他行星上孕育生命的一个潜在有益特征。大多数行星都有卫星,但地球卫星的独特之处在于它与地球的大小相差更小;月球的半径大于地球半径的四分之一,比大多数卫星与其行星的比率要大得多。

罗彻斯特大学地球与环境科学助理教授 Miki Nakajima 认为这一区别很重要。在她领导的发表在《自然通讯》上的新研究中,她和她在东京工业大学和亚利桑那大学的同事检查了月球的形成,并得出结论,只有某些类型的行星才能形成相对于其宿主行星而言较大的卫星。

Nakajima 说:“通过了解卫星的形成,我们在寻找类地行星时有了更好的约束条件。我们预计外卫星(绕太阳系外行星运行的卫星)应该随处可见,但到目前为止,我们还没有确认任何外卫星。我们的限制将有助于未来的观测"。

卫星的起源

许多科学家一直以来都认为地球的巨大卫星是由大约 45 亿年前的原始地球(处于早期发展阶段的地球)与一个火星大小的大型撞击体之间的碰撞产生的。碰撞导致在地球周围形成了一个部分汽化的圆盘,最终形成了月球。

为了找出其他行星是否可以形成类似的大卫星,Nakajima 和她的同事在计算机上进行了撞击模拟,模拟了许多假设的类地岩石行星和不同质量的冰冻行星。他们希望确定模拟的撞击是否会导致部分汽化的圆盘,就像形成地球卫星的圆盘一样。

研究人员发现,大于地球质量六倍(6M)的岩质行星和大于一个地球质量(1M)的冰质行星会产生完全(而不是部分)汽化的圆盘,而这些完全汽化的圆盘不能形成较小的卫星。

Nakajima 说:"我们发现,如果行星的质量太大,这些撞击会产生完全汽化的盘,因为大质量行星之间的撞击通常比小行星之间的撞击能量更大。"

在导致圆盘汽化的撞击后,随着时间的推移,圆盘冷却,液态卫星——卫星的组成部分——会出现。在一个完全汽化的圆盘中,圆盘中不断增长的小卫星会受到来自汽化中强烈气体的拖曳,非常迅速地落到行星上。相比之下,如果圆盘只是部分蒸发,小卫星就不会感受到如此强烈的气体阻力。

Nakajima 说:“因此,我们得出结论,一个完全的蒸汽盘不能形成较小的卫星。行星质量需要小于我们确定的阈值才能产生这样的卫星。”

寻找类地行星

Nakajima 和她的同事概述的限制对于研究我们研究宇宙的天文学家很重要。研究人员已经探测到数以千计的系外行星和可能的系外卫星,但还没有明确地发现一颗围绕太阳系外行星运行的卫星。

这项研究可能给了天文学家一个很好的启示,让他们知道该从哪里寻找。

正如 Nakajima 所说:“系外行星搜索通常集中在大于六个地球质量的行星上。我们建议我们应该关注较小的行星,因为它们可能是拥有略大卫星的更好候选者。”

参考文献:

[1]本部分编译自:Astronomers discover a multiplanet system nearby

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220615211253.htm

[2]本部分编译自:Planetary bodies observed for first time in 'habitable zone' of dead star

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220211080603.htm

[3]维基百科:宜居带

https://zh.m.wikipedia.org/zh-hans/%E9%81%A9%E5%B1%85%E5%B8%B6

[4]本部分编译自:Younger exoplanets are better candidates when looking for other Earths

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/05/220503100208.htm

[5]本部分编译自:Moons may yield clues to what makes planets habitable

https://www.sciencedaily.com/releases/2022/02/220201144027.htm


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