银系流浪行星少于预期【凤凰彩票登陆】

2019-08-29 作者:科学知识   |   浏览(155)

参加此次会议的加利福尼亚州莫菲特菲尔德市美国宇航局埃姆斯研究中心天文学家Christian Clanton表示,许多在2011年的研究中假设的“流浪行星”事实上正在围绕一颗恒星运转。

那么,在真实的宇宙中,存在这样流浪于星际空间中、不围绕任何恒星运动的行星吗?答案是肯定的,当然,这些行星并非是被外星人“驾驶”出母星,而是行星形成、演化等过程中的自然产物。它们的故事要从很久很久以前,行星乃至恒星的诞生之日说起。

银河系流浪行星少于预期 大约有1000亿颗,是之前估计的一半

当然,也可能我们穷尽所有方法与手段,依然找不到那么多流浪行星。到那个时候,只能说明现有的理论可能出错了。但不论最终结果如何,我们对行星的形成与演化的了解都会随之大大增进。

微引力透镜是发生在恒星级天体中的引力透镜现象。当一颗行星在经过母星与地球连线的时候,母星的星光会稍稍变暗。而“微引力透镜”法正是通过对遥远的星光在穿过系外行星系统时,受到行星的引力发生偏折的原理来探测系外行星的。银河系存在相当数量的恒星级黑洞、褐矮星、红矮星、白矮星、行星等较暗弱的天体,它们造成的微引力透镜现象能够在短时间内令背景光发生畸变。因此微引力透镜为研究这些天体提供了非常重要的手段。

图4. 引力透镜光路示意图(图源:minerva.union.edu)

2011年的这篇论文引用了天体物理学项目中的微引力透镜观测数据,而该项目使用了一架位于新西兰的望远镜。作者研究了474颗比木星更大的巨型行星的观测结果,其中有10颗行星的观测结果看起来并没有被恒星所束缚。研究人员的统计分析结果表明,银河系中可能有2000亿颗自由漂浮的流浪行星。

前面提到过,流浪行星发出的光非常微弱,但黑体辐射定律告诉我们,只要它的温度没有达到绝对零度,就一定会发光——只是光的波长和强度不同而已。太阳系中的木星就是一个典型的气态巨行星的例子,下图是木星光谱的示意图:

这些不是你正在寻找的流浪行星。图片来源:Ron Dantowitz/CCO/NASA

把目光从太空中拉回,地球上恰恰就存在着不依赖太阳能的生命——海底热泉生态系统。它的能量来源是地热能。所以我们尽管可以放开想象,如果流浪行星的地热尚未完全流失到太空中,那么完全有能力维持一些小型的原始生命及生态系统。

Clanton的统计分析结果表明,这些所谓的“流浪行星”可能在15亿公里或更远的距离上环绕恒星运转,这比土星与太阳的距离远得多。他说,真正的流浪行星的数量也许只有2011年分析结果的一半,尽管这些行星的数量仍然可以达到上千亿颗。

上图展示了Osorio等人在猎户座星云中发现的一些流浪行星,这些行星的质量从5倍木星质量到15倍木星质量不等。

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行星系统受到另一颗距离很近的恒星的引力扰动,导致系统变得不稳定;

马萨诸塞州剑桥市哈佛-史密森天体物理中心天体物理学家Jennifer Yee指出,一些研究人员对这种解释提出了质疑,因为它只是基于很少的潜在流浪行星得出的结论。但该领域必须等待更多的数据,用更好的望远镜缩小真正的数字。

撰文 | 杨弘靖 毛淑德

天文学家如今期待NASA的广域红外线巡天望远镜在本世纪20年代中期发射升空后能够取得更好的估算结果。一旦WFIRST运行到位,它将搜集更多敏感的有关行星的微引力透镜观测结果。它甚至能够探测小于火星的行星世界。

当一片星云内部在自身引力作用下分裂坍缩时,恒星从中诞生了①。但这片星云中并非所有原料都成为了恒星的一部分,其中剩余的许多气体和尘埃(天文学家把太空中的固体小颗粒称为尘埃)环绕着初生的恒星,形成了我们称为“原行星盘”的结构。

这两个研究团队在日前于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市召开的一次会议上公布了这一发现——其中一项研究基于最近的统计分析结果,而另一项工作则基于对超过2600个微引力透镜事件的观察结果。

恒星演化末期或超新星爆发时抛出大量物质,主星损失大量质量,无法继续用引力束缚住行星,从爆发中幸存下来的行星就会开启流浪之旅。

然而2011年的发现并没有认真考虑流浪行星是如何形成的。在双星系统中,每颗恒星都拥有自己的行星,其中一颗恒星的引力可能会破坏另一颗恒星所属行星的轨道并将其抛离系统。在一个拥挤的恒星群中可能也会有类似的效应,即一颗恒星可以将邻居的外行星“发射”出去。

引力透镜的效果之一就是会聚光线,它能将背景天体的亮度放大,特别是当源、透镜与观察者几乎处在同一条直线上时,效果更加明显。而在微引力透镜中,源与透镜之间有着可观的相对运动,这就表现为源的亮度上有可观的变化。

新的观测结果来自光学引力透镜实验,它利用了一架位于智利北部的望远镜,那里有比新西兰更好的天气和大气条件。当波兰华沙大学天文台天文学家Przemek Mroz分析了这些数据后,他们并没有发现拥有这么多流浪行星的证据。

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《中国科学报》 (2017-02-15 第2版 国际)

前面提到,流浪行星由于本身的暗弱难以被发现,但天文学家还是通过不同手段发现了少量流浪行星。主要的手段有两种,红外成像和微引力透镜。

本报讯 大多数行星都栖息在创造它们的恒星的势力范围内。然而一些脱离了母星的孤儿却一直在银河系中游荡。两项新的分析表明,木星大小的流浪行星要比科学家之前所预测的少得多。其中一项研究指出,银河系中大约有1000亿颗这样的行星,而不是像科学家在2011年所提出的2000亿颗。

但这样的方法仅适用于流浪的气态巨行星,对于更小的地球质量乃至火星质量的行星,其自身发的光也极其微弱无法探测。要想探测到它们,就需要新的思路与手段。

纽瓦克市特拉华大学天文学家Sarah Dodson-Robinson表示,上述以及其他假设可以产生一些流浪行星,但可能达不到数千亿颗的规模。

木星之所以可以被人眼看到,是因为反射了处在可见光波段的太阳光,而木星自身发出的光处在远红外波段。

之前对自由漂浮行星的数量评估结果源于2011年对10个与流浪行星有关的微引力透镜事件的分析。研究人员推测,对于每颗主序星——包括太阳在内的一种最常见的类别——可能都有两颗流浪行星。

图3. 猎户座星云中发现的一些流浪气态巨行星(图源:参考资料[3])

注② 之所以只是候选体,是因为天文学家并没有直接测量到它们的质量,而只是通过一些数学手段估计出来的,另外也尚未完全排除这些行星周围仍存在恒星的可能。

图1. 行星形成过程示意图(图源:americaspace.com)

2)微引力透镜

图5. 左:微引力透镜中,源与透镜相对运动示意图(图源:参考资料[4])右:一个真实微引力透镜事件的光变曲线(图源:ogle.astrouw.edu.pl)

尽管数目众多,这些“流浪行星”却难以被发现——一方面它们发出的光很微弱,另一方面它们的质量相比于恒星很小,因此与其它天体的相互作用也非常微弱。如今有许多天文学家正致力于在茫茫宇宙之中寻找这些“灰色人口”。

流浪行星的能源——维持生命的关键

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对于一颗在星际空间中流浪的气态巨行星,它距离所有恒星都很远,因此无法反射恒星的光。但其自身发出的光依然存在,这将导致其看起来非常“红”。因此如果我们对同一片天区用不同的波段分别成像,然后进行比较,就能发现那些在红外可见、其余波段几乎不可见的流浪行星。天文学家也正是利用这一性质成功发现了少量这样的天体。

编辑 | 韩越扬

1)红外成像

图6. 微引力透镜事件OGLE-2012-BLG-1323的光变曲线,该事件很可能是由银河系盘上的一颗地球质量流浪行星引起的。(图源:参考资料[6])

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微引力透镜就是一种完全不同的思路。根据广义相对论,光线在引力场中会发生偏折,因此一个前景天体的引力场可以像透镜一样会聚身后的光线,这一现象便被称为引力透镜。

此时的恒星系已经初步成型,但还未达到稳定的结构。由于气态巨行星强大的引力,一些行星在运动中被其它行星吞并,还有一些最终被抛出整个恒星系。这就好比让一个杯子装上满满当当的水,倒水的时候难保不洒出一些。这一猛烈过程被称为行星-行星散射,它使得恒星系的结构趋于稳定,而被抛出的行星就成为了在星际空间中独自旅行的流浪行星。

作者简介

毛淑德:清华大学教授,兼国家天文台研究员,主要研究领域为星系动力学、引力透镜和系外行星搜寻。

在真实的宇宙中,存在流浪于星际空间中、不围绕任何恒星运动的行星吗?它们是被外星人“驾驶”出母星的吗?

原行星盘受到引力扰动,抛出小碎片;

操作上,探测微引力透镜效应的方法就是持续地监测恒星的亮度(需要每隔几分钟到几十分钟就进行一次测量),这样我们就可以从光变曲线中获得透镜天体的信息,哪怕透镜天体自身不发光也不要紧。也正是这样间接探测的特点,使得微引力透镜在探测暗弱、甚至不发光的天体上有着巨大的潜力。微引力透镜也因此成为了目前唯一能探测到类似地球乃至火星这样小质量流浪行星的手段。

注① 实际上星云塌缩的产物不一定是恒星,而是取决于星云的初始质量。若质量较小也可能形成未点燃核反应的褐矮星或较大质量的行星。这里我们只介绍最普遍的情况。

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寻找流浪行星

此外,若流浪行星被抛出恒星系时还带着一颗卫星,那它与这颗卫星之间的潮汐能也可能大到足以维持生命存在。潮汐能释放的一个很好的例子,就是受到木星潮汐力影响,木卫二上产生的间歇喷泉。

图7. 加拉帕戈斯海底热泉(Galápagos hotspot)附近的生态系统(图源:wikipedia)

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今年年初,科幻电影《流浪地球》上映,为我们描绘出一幅全人类在灾难下齐心协力将地球“驾驶”出太阳系的宏大景象。最终,地球逃离了太阳的引力束缚,漂浮在无尽的宇宙中。

图2. 木星光谱示意图(图源:lasp.colorado.edu)

行星啊,你们为何流浪

(图源:电影《流浪地球》海报)

不过,如果宇宙中真有那么多流浪行星,有多少存在生命呢?会不会有那么几颗真的是由外星人驾驶的呢?非凡的假说需要非凡的证据,但无边无际的宇宙中每时每刻都在发生的事情,也许是人类倾尽最天马行空的想象力也不能及的。人类在宇宙面前虽然渺小如尘,但依然穷尽一代又一代人的努力去理解它,这才是宇宙中最非凡的事情。

综上所述,一些理论预言星际空间中的流浪行星有很多,具体每个恒星系抛出的行星数量与主星的质量相关[2]。这些流浪行星自身的质量从火星到数十个木星质量(>103个地球质量)间均有分布。

目前,天文学家借由微引力透镜效应,已经发现了一颗地球质量[6]、一颗海王星质量[银系流浪行星少于预期【凤凰彩票登陆】。5]和一颗木星质量[6]的流浪行星候选体②。随着观测数据积累,未来流浪行星的样本数量一定会大大增加。此外,美国国家航空航天局计划于2025年前后发射的太空望远镜WFIRST将执行约432天的微引力透镜监测项目,预计能够探测到上百颗流浪行星,这也将让我们对恒星、行星的形成与演化有更深入的了解。

这些被“放逐”的流浪行星在失去了母星的供养后,还能繁衍生命吗?如果有一天我们真的开启“流浪”模式,生命又该如何维持?

天文学家通过监测银河系中心方向的恒星(因为那里的恒星最多,监测起来最为经济),每年能探测到上千起微引力透镜事件,其中不乏数起是由我们所感兴趣的流浪行星引起的。

在红外成像和微引力透镜两种观测手段中,前者操作较为简单,但只能探测到较大的气态巨行星;后者的探测范围可以深入到质量最小的行星。随着新的观测设备与项目不断投入运行,未来我们有望极大地增加流浪行星的样本数量,甚至能够确定“流浪地球”、“流浪海王星”与“流浪木星”的数量比例。

在茫茫的宇宙中,确实存在着不围绕任何恒星公转的“流浪行星”,它们是行星形成与演化过程中的自然产物。理论预言银河系中流浪行星的数目应该与恒星数目相当,但受限于观测技术,人们至今只发现了极少量这样的行星。

杨弘靖:2019年本科毕业于厦门大学天文系,现于清华大学天文系攻读博士学位。主要研究方向为搜寻太阳系外行星和微引力透镜。

我们称引力透镜中的前景天体为透镜,背景天体为源。源和透镜都可以是各种尺度的天体,从行星、恒星到星系、星系团——只要它们能产生引力场,就可以产生引力透镜效应。其中,源与透镜都是行星、恒星级别天体的引力透镜也被称为微引力透镜。

流浪行星也并非只能通过行星-行星散射产生,实际上在整个行星或者恒星的生命史中,有许多情况都可能导致一颗行星被其所在的恒星系“放逐”。按照时间顺序,一颗行星诞生后被抛出恒星系的原因可能有[1]:

未达到稳定的多行星系统中的行星-行星散射;

原行星盘上并非一片太平——尘埃之间不停地碰撞、破碎又粘合,渐渐形成了一些直径大约几公里的“石块”,也称为“星子”。随后,星子与星子之间在引力的作用下,继续碰撞、合并,成长为直径上百公里的原行星。原行星继续生长,一些较大的原行星的引力足以束缚住大量气体,于是吸积其轨道上的气体成为气态巨行星,并在原行星盘上留下一道气体稀薄的“刻痕”;而剩下的原行星成长为直径上千千米的行星,但继续保持岩质的形态。

生命的存在需要能量——无论是维持水以液态形式存在还是维持足够浓厚的大气,因此我们首先需要了解流浪行星有哪些能量来源。在电影《流浪地球》中,人类在星际空间里航行的数千年间,地球失去了此前几乎所有能量的直接与间接来源——太阳。当然,这在《流浪地球》时代算不上什么大事,利用重核聚变的行星发动机在推进地球加速之余,也能产生足够维持生命的能量。但对于真实宇宙中的流浪行星,失去了恒星的能量供给后还能够维持生命存在吗?

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