哈伯發現系外行星 GJ 3470b 正在快速蒸發消散

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 03 日 0:00 | 分類 天文 , 航太科技 follow us in feedly

瑞士日內瓦大學(University of Geneva)天文學家 Vincent Bourrier 等人透過哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)觀測發現一顆很靠近母恆星的系外行星 GJ 3470b,這是顆海王星級系外行星,但離母恆星僅約 600 萬公里,相當於水星到太陽距離的十分之一左右,其大氣被母恆星強烈輻射炙烤至超過攝氏 930 度的程度,導致大氣被快速蒸發,脫離行星重力掌控,使行星直徑逐漸縮減。

目前已知的非常靠近母恆星的系外行星中,絕大部分要嘛就大到熱木星(hot Jupiter)等級,要嘛就是小到熱超級地球(hot super-Earth,小於 1.5 倍地球直徑)等級,很少有介在中間的熱海王星(hot Neptune)等級。熱海王星之所以這麼罕見的原因,天文學家認為或許是因為這類熱海王星本來就很稀少,或是因為只在某一時期數量很多但之後卻消失的緣故。事實上,絕大部分已知的海王星級系外行星都只是「溫暖」的程度,其公轉距離遠離了天文學家認為能發現熱海王星的區域,是謂「暖海王星(warm Neptune)」。

天文學家們不知道熱海王星都到哪去了。如果繪製行星大小相對於至母恆星距離的分布圖,會發現圖中出現一個空白地帶(下圖標示 Hot Neptune Desert 之處),讓天文學家疑惑不已。天文學家並不確定大氣蒸散對這個空白地帶的影響有多重要,但至少哈伯觀測顯示有許多暖海王星在空白地帶邊緣,所以這是大氣蒸散的確與空白地帶有關的直接證據。

由於被蒸散的大氣會在行星周圍形成龐大的氣體雲繭,行星經過母恆星前方時,氣體雲繭中的氫元素吸收恆星星光,致使恆星光譜中的紫外波段出現吸收特徵。因此 Bourrier 等人就是利用哈伯上的光譜相機(Space Telescope Imaging Spectrograph)搜尋這個氫的紫外特徵,以茲為行星大氣流失的鐵證。

到目前為止,天文學家已發現 2 顆大氣正在逸散至太空中的暖海王星。在最近的 GJ 3470b 發現之前,前幾年發現的 GJ 436b 曾是表面溫度最高的暖海王星。測量出的溫度更高的 GJ 3470b,其大氣蒸散速度約是 GJ 436b 的 100 倍,是目前已知行星中質量流失速度最快者之一!Bourrier 等人估計:GJ 3470b 存在至今,大約已流失 35% 的原始物質;在它的紅矮星母星更年輕、發出更多輻射的時期,質量流失速率可能比現在還高。

GJ 3470b 蒸散速度比 GJ 436b 的原因,可能是因為 GJ 3470b 大氣比較沒那麼稠密,導致其被母星加熱之後,受到的重力束縛也比較少,所以比較容易逸散。另一個原因可能是因為 GJ 3470b 的母恆星只有 20 億歲,比 GJ 436b 母恆星的 40~80 億歲年輕多了;雖然這兩顆恆星都是紅矮星,但年輕恆星釋放能量比較強烈,GJ 3470b 受到的衝擊自然會比 GJ 436b 多。

這些發現讓天文學家更加確信:這些熾熱的系外行星可能屬於生命期很短暫的罕見類型,其最終命運就是會縮減至絕大部分常見的已知系外行星類型—「迷你海王星(mini-Neptunes)」,這種行星比地球大但比海王星小,且擁有以氫為主的濃厚大氣。甚至,迷你海王星的大小還會繼續縮減成「超級地球」的程度,成為質量以地球大的岩質行星。如果 GJ 3470 繼續快速地流失質量,估計或許在在約幾十億年之後,也會縮減成一顆迷你海王星。

氫並不是 GJ 3470b 大氣唯一逃跑的元素,但卻可作為其他流失物質的示蹤器(tracer)。這些天文學家認為蒸散的氫拽著諸如原本在大氣比較深層的碳等其他元素跟著一起流失至太空中,因此它們計畫利用哈伯捕捉比氫和氦還重的其他流失元素。不過他們遇到一個難題,那就是受到星際氣體的屏蔽,150 光年外的暖海王星無法偵測到氫流失的現象。GJ 3470b 距離地球只有 97 光年,還在可偵測範圍內。

因為氦不會被太空中的星際物質屏蔽,所以氦可作為暖海王星大氣流失物質的另一個示蹤元素。這些天文學家利用哈伯和未來的韋伯太空望遠鏡在紅外波段搜尋氦元素特徵,如此一來便可拓展搜尋的範圍,而且韋伯非常靈敏,或許還可偵測到迷你海王星流失大氣中的氦元素。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:HubbleSite