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不合理,這太不合理了!行星半徑達恒星的40%,怎麼回事?
2023/04/26

在太陽系中,木星是最巨大的行星。它的半徑是地球的11.2倍,達到了71492公里。

即便如此,它和太陽相比,仍然只是個小不點。太陽的半徑約為69.6萬公里,幾乎是木星的十倍。

這沒什麼不合理的,行星比恒星小得多是理所當然的。恰恰是因為這一點,當我們發現行星體型非常接近恒星的時候,就會覺得有些不可思議。

最近,天文學家在86光年外就發現了這樣詭異的恒星-行星組合。

這顆恒星名為TOI-5205,是一顆紅矮星,也就是宇宙中最小的一類恒星。它的半徑只有太陽的40%左右,也就是只有木星的4倍左右,質量也只有太陽的39%。

和它相比,它的行星TOI-5205b就顯得非常巨大了。觀測結果表明,它的半徑比木星大3%,質量也大了8%。換句話說,它的半徑達到了宿主恒星的40%!這樣接近的行星-恒星體型,是天文學家從來沒有發現過的。

你可能會說:只不過是行星和恒星體型比較接近,趕巧了而已,有什麼問題?

問題就在這,因為在現有的理論體系中,這個「巧」是趕不出來的。

根據目前的理論,恒星系統形成于一片原始星云中。當彌散在太空中的星際氣體和塵埃在引力的作用下聚集在一起,并達到一定質量時,其核心處就會自發開始核聚變,一顆恒星就誕生了。

在所有的恒星中,像TOI-5205這樣的紅矮星是最小的。如果一個天體的質量低于紅矮星的下限,那麼它最多也只能形成一顆褐矮星。 紅矮星的質量下限大約是木星的80倍,只有超過這個質量,才有可能在核心進行氫聚變反應,從而發光發熱。

恒星不會吸收周圍的所有物質,反而會在點亮之后噴發出強烈的恒星風,將周圍的物質吹散。這些物質距離恒星不太遠,它們會繼續通過相似的過程吸積殘余的物質,形成行星以及小行星等天體。

對于氣體巨星來說,形成的條件更嚴苛。其原行星盤中至少要有差不多10倍地球質量的固體物質,形成行星的核心。為了防止新生恒星將這里的物質吹散,這個核心需要迅速在周圍累積大氣層,才能形成直徑數萬公里,并且氣體厚度也達到數萬公里的氣體巨星。

問題就在這,這里既然只是形成了紅矮星,就說明物質是比較匱乏的。這里的物質連供給恒星都有點吃力,怎麼還有余力形成如此巨大的氣體行星呢?

而且,它和宿主恒星之間的距離非常近,以至于只需要1.6個地球日就能完成一次公轉。在這麼近的距離下,形成這麼巨大的行星就更讓人感到不可思議了。

本次研究的參與者之一、美國卡內基科學研究所的天文學家Shubham Kanodia指出:如果原行星盤一開始沒有足夠的固體物質形成核心的話,就無法形成一顆氣體巨星。或者是另一種情況,那就是核心還沒來得及形成,原行星盤就被吹走了,也同樣無法形成氣體巨星。

對于TOI-5205b來說,就面臨著這樣的情況。按照現有的行星形成模型來看,它就不應該存在,屬于一顆「被禁的」行星。

這還不是唯一的一組恒星-行星組合。在預印本平台arXiv上,還有一支科學團隊發現了另外一對詭異的天體。 一顆名為TOI-3235b的氣體巨星,圍繞著一顆紅矮星公轉。

令人驚訝的是,TOI-3235b的質量是木星的66.5%,半徑是木星的1.07倍;而它的宿主恒星TOI-3235半徑只有太陽的37%左右,質量也只有太陽的39%。也就是說,這一組恒星和行星的體型也相當接近。并且TOI-3235b的公轉周期只有2.6天,同樣是非常靠近宿主恒星的。

還有2021年的時候,天文學家發現了一顆名為TOI-519b的巨大系外行星。它的半徑是木星的1.07倍,質量更是達到了木星的14倍!相比之下,它的宿主恒星的質量和半徑都只有太陽的37%左右。這麼算下來,這顆行星的質量達到了宿主恒星的3.8%左右。同樣的,它的公轉周期也很短,只有1. 27個地球日。

這幾顆行星都是天文學家利用凌星法發現的,也就是通過它們遮擋宿主恒星的現象發現的。通過宿主恒星亮度的變化,天文學家就能判斷這些行星的半徑。同時,它們的引力還會對恒星的運行造成一定的干擾,通過這種影響,天文學家就能計算出它們的質量。

存在即合理,既然天文學家已經不止一次發現這種圍繞紅矮星公轉,并且和恒星體型非常相似的行星,就證明宇宙中存在著一種特殊的機制,允許它們形成。這意味著天文學家需要繼續完善現有的行星形成模型,解釋它們的形成過程。

研究人員指出,好在這幾顆行星都是利用凌星法發現的,這種行星的優勢就是可以讓我們利用光譜法進行更加深入的觀測和分析。尤其人類現在有詹姆斯·韋布太空望遠鏡等強大的觀測設備,可以了解這些行星的大氣成分,這里或許就包含著一些人類需要的線索。

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