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質量為木星13倍!印度天文學家發現「宇宙炮彈」,密度太大了
2023/04/03

在太陽系八大行星中,四顆比較小的行星是巖石行星,四顆比較大的行星是氣體行星。

顧名思義,巖石行星主要由固體構成,因此密度比較大;氣體行星擁有非常濃厚的大氣層,拖了密度的后腿。不僅是太陽系內,天文學界發現的系外行星中,絕大部分也都符合這個規律。既然說是絕大部分,那就是有例外。這不,就在最近,天文學家發現了一個例外,這個天體被稱為TOI-4603b。

TOI-4603b是通過凌星法被發現的,這讓天文學家能夠輕松觀測它的公轉周期,也能估算它的半徑。同時,天文學家又利用徑向速度法確認了它的存在,這種方法則能夠用來計算行星的質量。觀測結果表明,這顆行星的半徑和木星差不多。但令人驚訝的是,它的質量卻達到了木星的12. 89倍。

利用體積和質量,天文學家計算出了它的密度,竟然達到了每立方厘米14.1克,約等于木星(每立方厘米1.33克)的9倍!這個密度別說是和氣體行星比,就連太陽系密度最大的行星地球(每立方米厘米5.51克),也只比它的1/3多一點!我們熟知的金屬鉛,密度是鐵的2倍,也只有每立方厘米11.3克,比這顆行星還要小一些。

說它是行星,其實天文學家也沒有絕對的絕對的把握,因為它的質量已經接近另一種天體——褐矮星了。

我們知道,區分恒星和行星的關鍵,就看一顆天體能不能進行核聚變。當一顆天體的質量足夠大,也就是超過木星的85倍時,核心處的氫就可以自發進行聚變反應,從而發光發熱,這就是恒星。如果質量比較小,那就無法進行氫聚變,這就是行星。

在恒星和行星之間,還有一類中間天體,那就是褐矮星。褐矮星的核心無法進行正常的氫聚變,但是其中的重氫(含有一個中子的氫,又叫氘)卻可以進行聚變反應。這種聚變產生的熱量非常低,而且通常不超過10000年,因此又被稱為失敗的恒星。

目前關于行星和褐矮星的臨界值,天文學家還沒有完全確定,只是估計在木星質量的10~13倍之間。 也就是說,TOI-4603b恰好處在行星和褐矮星的邊緣。

雖說它的恐怖密度比行星大得多,但在褐矮星行列中其實并不奇怪。 比如一顆半徑僅有木星87%的褐矮星(是的,有的褐矮星半徑比木星、土星還要小),質量反而可以達到木星的六十多倍。這麼算下來,褐矮星的密度甚至比TOI-4603b還可以高得多。

盡管如此,目前研究人員們還是將它看作是一顆行星,而不是褐矮星。

印度物理研究實驗室的Akanksha Khandelwal領導的天文學家團隊在即將發表于《天文學與天體物理學通訊》雜志上的研究報告中描述道:「它是迄今為止已知質量最大、密度最高的凌星巨行星之一,并且是對位于處在大質量行星和低質量褐矮星的重疊范圍內的天體的補充,這對于進一步理解它們的形成過程是不可或缺的。」

為什麼她會提到這一類天體的形成呢?

根據目前的理論,恒星普遍是形成于彌散在太空中的星云之中。 當分子云內密集的團塊在重力作用下逐漸坍縮時,就可能形成一個原恒星。原恒星通過自身引力進一步吞噬周圍物質,最終形成恒星。

恒星形成后,周圍空間殘留的物質并不會馬上消散。這里的一些碎塊會逐漸凝聚在一起,成長為一顆顆的行星。

至于褐矮星的形成過程,大致與恒星相同,也就是在分子云中通過坍縮形成的。一般來說,褐矮星和周圍的恒星不會離得太近,通常至少保持5個天文單位的距離,也就是日地距離的5倍。距離恒星不足5個天文單位之內的空間,被天文學家看作是褐矮星的「沙漠」。

然而,在TOI-4603的系統中,情況卻有所不同。天文學家在這里發現了一顆褐矮星,它和TOI-4603b之間的距離僅有1.8個天文單位。

不僅如此,TOI-4603b距離宿主恒星也非常近,只需要7. 25個地球日就能完成一次公轉。也就是說,地球上一個月的時間,那里已經過了4年了……

密度如此之大,移動速度又如此之快,難怪有人將它比喻為一枚「宇宙炮彈」。但這也是天文學家對它最好奇的方面,這種奇怪的天體恰恰反映了人類尚不完全了解的天體物理學機制。

目前研究人員認為,TOI-4603b并不是一開始就形成于這里的,而是在比較遠的位置形成,然后在其他天體的引力干擾下逐漸向內遷移軌道的,該系統中的那顆褐矮星或許就是罪魁禍首之一。

這已經不是天文學家第一次發現類似的詭異天體了,此前還有一顆名叫HATS-70b的系外行星,也有類似的表現。這顆行星的半徑是木星的1.384倍,質量卻是木星的12.9倍。算下來,它的密度雖然不如TOI-4603b,但也遠超普通的氣體行星,也比地球更大。不僅如此,這顆行星也在逐漸靠近它的宿主恒星,簡直是TOI-4603b的翻版。

隨著人類發現的這類天體越來越多,關于它們的形成和軌道遷移機制也將越來越清晰地展現在人類面前。

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