“震驚和高興”：天文學家發現六顆行星在共振軌道上運行

“震驚和高興”：天文學家發現六顆行星在共振軌道上運行

圍繞迄今為止發現的最明亮的恒星運行，該恒星擁有超過四顆行星，所有行星都具有巖石或冰冷的核心和廣闊的大氣層。

新發現的由六顆行星組成的系統圍繞著附近的類太陽恒星運行，可能是解開行星系統形成方式的關鍵。所有大小在地球和海王星之間的世界都在所謂的共振鏈中運行——這種結構在自然界中相對罕見，這使得該系統成為一個有價值的發現，為了解獨特的“溫和”歷史提供了一個窗口。

這一發現今天發表在《自然》雜志上。

這些行星的發現之路源于美國宇航局凌日系外行星勘測衛星 (TESS)于 2020 年的首次探測，該衛星尋找行星在其母恒星前面穿過時亮度的下降情況。當時，根據下降，研究人員能夠確認一顆行星并假設第二個可能的世界。

但苔絲只觀察了一塊特定的天空大約兩個月，然后就繼續前進；兩年之內都不會回來。TESS 終于在 2022 年再次觀測到這顆恒星，產生了更多的凌星現象。這確實揭示了第二顆行星，但凌日的次數仍然多于兩個世界所能解釋的。

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因此，該團隊轉向另一臺望遠鏡：歐洲航天局的外行星衛星（Cheops），在不受調查時間表限制的情況下觀察這顆恒星。他們利用基奧普斯觀測來自更遠行星的更多凌日現象。研究合著者、美國麻省理工學院卡維利天體物理研究所和瑞士伯爾尼大學的 CHESS 研究員休·奧斯本 (Hugh Osborn) 在新聞發布會上表示，經過五六次觀察后，“我們像戰艦一樣受到了打擊”。周二早上。

他們發現了第三顆行星。一起觀察軌道，研究人員發現了一些有趣的事情。每顆行星的軌道周期都與下一顆行星相關：內行星（稱為 b）每 9.114 天繞軌道運行一次，下一顆行星（c）每 13.673 天繞軌道運行一次，最后一顆行星（稱為 d）每 20.519 天繞軌道運行一次。每個周期大約是下一個周期的 1.5 倍，這意味著行星處于一種稱為 3:2（發音為“三比二”）平均運動共振的配置。對于最內部世界 b 的每三個軌道，下一個行星 (c) 會產生兩個軌道。然后，對于 c 的每三個軌道，d 形成兩個軌道。

團隊遵循這一模式，在這條“共振鏈”中尋找更多的世界。首先，他們模擬了處于不同共振狀態的各種其他行星凌日的頻率，選出最穩定的配置。

然后，他們根據這些模型尋找預期的凌日現象，并發現了另外三顆行星：e、f 和 g，周期分別為 30.793、41.059 和 54.770 天。整個系統可以安裝在水星軌道內。

總而言之，最里面的四顆行星處于 3:2 共振。外行星 f 和 g 處于 4:3 共振狀態——其內部行星每繞四圈軌道，下一顆行星就會繞三圈。總體而言，最內層行星 b 每繞六圈，最外層行星 g 繞一整圈。

奧斯本說：“我們經常做出預測，而大自然會找到一種方法做其他事情，但與我們的預期不太相符。” 但在這種情況下，大自然恰到好處。奧斯本回憶說，當他們開始發現行星凌日時，他們的模型表明：“我的下巴都快掉到地上了”，他感到“震驚和高興”。

圖片來源：歐洲航天局

尋找海王星下

這些行星圍繞 HD 110067 運行，這是一顆與太陽相似的恒星，其大小和質量約為太陽的 80%。它位于后發座，在日出前幾個小時，在金星（處女座）上方東方的清晨天空中可見。

HD 110067 距離我們僅 100 光年，視星等為 8.4。奧斯本說，這使其成為目前已知擁有四顆或更多行星的最亮恒星，其光波長比著名的紅矮星TRAPPIST-1亮約 10,000 倍。

此外，TRAPPIST-1 的七顆行星都是巖石世界，大氣層稀薄——如果有的話。HD 110067 的六顆已知行星都有冰或巖石的核心，但也有厚厚的氫和氦大氣層。它們的直徑大約是地球直徑的兩到三倍。

研究小組根據行星的密度（根據大小和質量計算得出）知道了這一點。但凌日只能根據行星阻擋的光線量來確定行星的大小。為了獲得質量，該團隊使用了一種稱為徑向速度的不同技術，該技術可以測量恒星因繞軌道運行的行星左右拖動而引起的微妙“擺動”。西班牙特內里費島加那利天體研究所的合著者恩里克·帕勒（Enric Palle）說：“你可以想象，有六顆行星，這真是一團糟。”

超過 100 次徑向速度觀測提供了足夠的信息來測量其中三顆行星的質量，同時對其余三顆行星的質量設定了上限。一旦天文學家知道了一顆行星的大小和質量，他們就可以計算它的密度，從而揭示它的類型——在這種情況下，具有一些巖石和擴展大氣層的世界更像是海王星而不是地球。因此，它們被稱為亞海王星。（海王星的寬度是地球的 3.88 倍。）比地球大、比海王星小的行星，其密度更暗示主要是巖石和稀薄的大氣層，例如 TRAPPIST-1 的鵝群，被稱為超級地球。

我們的太陽系沒有這兩種類型的行星，但它們是觀測其他恒星時最常見的系外行星。

一個行星系統如何最終以完美的數學比率繞軌道運行？研究小組表示，這很可能就是行星系統的開始方式，反映了形成行星的原行星盤最終消失時留下的初始條件。這種共振鏈在自然界中應該非常常見——但事實并非如此。這是因為隨著時間的推移，諸如經過的恒星、流星撞擊和徘徊的巨行星等混亂事件會使任何共振變得模糊，直到它們消失。

但自這些行星形成以來，HD 110067 的共振鏈已經持續了數十億年，這表明“這個系統的演化一直非常安靜、非常溫和，”芝加哥大學的主要作者拉斐爾·盧克說。

最終，大約 1% 的行星系統仍在共振軌道上運行。研究小組表示，我們知道大約有 40 或 50 個。這并不是第一個被發現的六行星共振系統。

然而 HD 110067 仍然脫穎而出。除了原始的軌道結構外，這顆恒星非常明亮，有六顆行星，都擁有充足的大氣層。這使得它成為詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主要目標，在這些行星凌日時觀察它們的大氣層，尋找甲烷、二氧化碳、水和氨等分子的存在。這樣做不僅可以告訴我們行星大氣層的成分，還可以了解它們的內部結構，包括它們是否可能含有大量的水。

也許最引人注目的是，該系統為研究亞海王星如何形成和行星系統如何在沒有外界影響的情況下演化提供了完美的測試平臺。這六顆行星均由相同的物質形成，起始于相同的初始條件，并經歷了與其他行星相同的歷史。天文學家可以將這些世界相互比較，以研究在沒有任何其他因素的情況下，大小、質量、溫度和距恒星距離的細微差異如何影響行星的演化。

盧克說，在 HD 110067 及其行星中，天文學家擁有一個單一、完美的測試平臺——一個“受控實驗……這將使我們在未來幾年學到很多東西。”

編者注：這個故事的早期版本錯誤地指出，c 每三個軌道，d 就等于三個。