太陽系外存在類海王星大小的衛星繞類木行星運轉？

2023-03-31 19:08:39

尋找太陽系以外的行星是一項艱巨的任務，但對於那些已經被人類發現和證實的系外行星來說，確定這些行星是否有自己的衛星，或者「系外行星」，是一項更具挑戰性的任務。此外，就像對系外行星本身的研究一樣，系外行星的研究也為人們進一步了解我們的宇宙提供了一些極好的機會。

在所有可能的行星候選者中，最新的(也是最有可能的)候選者是在2017年7月發現的。這顆名為克卜勒-1625 b-i的衛星圍繞一顆距地球約4000光年的巨大氣態行星運行。但是根據一項新的研究，這顆系外行星本身可能實際上是一顆氣態巨行星海王星大小。如果是這樣的話，這將是第一次一個氣態巨行星圍繞另一個氣態巨行星運行。

這項研究名為「克卜勒-1625 b-i的特徵，一個巨大外行星的候選者」，發表在科學雜誌《天文學和天體物理學》上。這項研究是由馬克斯·普朗克太陽系研究所的天體物理學家萊尼·海勒進行的，他測量了克卜勒項目獲得的光曲線，以界定系外行星的質量並確定它們的真實特徵。

藝術家關於圍繞氣態巨行星運行的可居住系外行星的想法。資料來源:美國航天局空美國航天局

在太陽系中，我們經常通過衛星了解到許多關於其主要恆星的形成和演化。同樣，對系外行星的研究可以提高我們對系外行星系統的理解。正如海勒博士通過電子郵件向《今日宇宙》解釋的那樣，這些研究也可以揭示這些系統中是否存在可居住的行星:

事實證明，衛星在研究太陽系中行星的形成和演化方面通常非常有用。例如，地球的衛星月球是建立初始天體物理條件的關鍵，如地球的總質量和地球最初的旋轉狀態，這後來產生了我們的宜居環境。在另一個例子中，木星周圍的伽利略衛星被用來研究木星周圍原始吸積盤的狀況，這顆行星在45億年前從吸積盤中吸出了質量。這個吸積盤很久以前就消失了，但是吸積盤中形成的衛星仍然存在。因此，我們可以利用這些衛星，尤其是衛星的當前成分和溼度，來研究過去行星的形成過程。"

對於克卜勒1625恆星系統，先前的研究是基於克卜勒1625 b及其衛星前方的三個投影光譜觀測來估計其半徑的。從這三次觀測中獲得的光傳輸曲線表明，克卜勒1625號有一顆海王星大小的太陽系外衛星在距離它大約20倍於行星半徑的地方繞著它運行。

然而，正如海勒博士在他的研究中指出的，這項研究沒有考慮主星(克卜勒-1625)的徑向速度測量，它可以估計兩個天體的質量。為了解決這個問題，海勒博士考慮了各種質量分布形式，鑑於現有的大小數據的行星和衛星獲得的表徵觀察。此外，他還試圖把它放在太陽系中進行研究。

藝術家想像了一顆圍繞氣態巨行星運行的系外行星(左)和一顆海王星大小的系外行星(右)。資料來源:美國航天局空美國航天局/JPL-加州理工學院

海勒博士的第一步是根據克卜勒觀測到的傳輸光譜特徵，估計系統外候選衛星及其主要恆星的質量。

他說:「對數據的動態分析表明，這顆主行星是一顆大約木星大小的褐矮星(半徑意義上的「大小」)，其質量接近木星的18倍。然而，這一結果的不確定性主要來自克卜勒數據中包含的噪聲幹擾和投影數據的稀有性(只有三組)。事實上，主星可能是一顆類似木星的行星，甚至是一顆質量為37木星的中等大小的褐矮星。候選衛星的質量大致介於幾個地球和海王星之間。」

海勒博士接著比較了候選系外行星和克卜勒1625b的相對質量，並與太陽系中的各種行星和衛星進行了比較。這一步是必要的，因為根據行星與衛星和行星的質量比，太陽系中的衛星分為兩種類型。這些比較表明，月球的質量與其形成的方式密切相關。

例如，由撞擊形成的衛星(如月球和冥王星)相對較重，而由行星吸積盤形成的衛星相對較輕。木星的衛星木衛二是太陽系中最大的衛星，但與木星本身(太陽系中最大最大的衛星)相比，它非常小。

這位藝術家想像著他從環繞三星系統的系外行星周圍的衛星上看到了什麼。資料來源:美國航天局空美國航天局

海勒博士獲得的結果相當有趣。首先，他們指出克卜勒1625 b-i不能分為這兩個家族(重的撞擊衛星和輕的吸積衛星)。海勒博士解釋如下:

「或者，在第三種情況下，克卜勒1625 b-i可能是由捕獲形成的，這是非常低的，這意味著原來的行星是在一個雙星系統中，它被拉進克卜勒1625 b的軌道，並且它以前的伴星被從系統中彈出。"

克卜勒1625b的質量估計也很有趣。海勒博士的平均估計是19個木星質量，但最大是112個木星質量。這意味著主行星可以是多種類型的恆星，從比土星稍大的氣態巨星到棕矮星，甚至是質量非常低的恆星。因此，它不是一個圍繞氣體巨星運行的氣體巨星，而是一個圍繞一顆小恆星運行，同時又一起圍繞一顆大恆星運行的系統！

藝術家對T型褐矮星的構想。資料來源:tyrothenkreeper/wikimedia commons。

這簡直是科幻小說！儘管這項研究不能嚴格限制克卜勒-1625b及其可能衛星的確切質量，但其重要性不言而喻。除了給天體物理學家提供第一個可能的巨型氣態衛星的例子外，這項研究對太陽系外行星的研究具有重要意義。如果克卜勒1625 b-i被證實，它將告訴我們許多關於它的主要恆星的形成條件。

同時，我們需要做更多的觀察來確認衛星的存在。幸運的是，在不久的將來，我們將能夠進行大量的觀測。克卜勒1625b下一次穿越這顆恆星是在2017年10月29日。哈勃的0+望遠鏡將在此刻探測到它。根據觀測到的恆星光線變化曲線，科學家應該能夠更好地了解這顆神秘的衛星是否存在以及它看起來是什麼樣子！

海勒博士說:「如果根據觀測數據，衛星不存在，那麼這項研究的結果將不適用於克卜勒1625系統。」「然而，該論文將提供一個例子來指導未來關於如何對太陽系外衛星進行分類以及如何將它們放入太陽系環境的研究。如果克卜勒1625 b-i被證明是一顆真正的太陽系外衛星，那麼我的研究將會發現一種新型衛星，它的形成歷史與我們已知的衛星完全不同。這個微妙的謎團等待天體物理學家來解決。」