海王星大小的EXOMOON在一个木星大小的行星上运行?

天文物理 2018-04-15 11:47:21

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【博科园-科学科普】在我们的太阳系之外发现行星已经是艰难的、费力的工作。但在确认系外行星的时候,一个更具有挑战性的任务是确定这些行星是否有自己的卫星——aka“卫星”。然而就像对系外行星本身的研究一样,对外行星的研究提供了一些令人难以置信的机会来了解更多关于我们的宇宙。

概念图给人的印象是一个类似地球的月球围绕着一个土星的外行星,图片:Wikipedia Commons/ Frizaven


在所有可能的候选中,最近期(也是最有可能的)是在2017年7月宣布的。这颗名为开普勒- 1625 b- i的月球围绕着一个距地球约4000光年的气体巨行星运行。但是根据一项新的研究,这个exomoon实际上可能是一个海王星大小的气体巨星本身。如果这是真的,那么这将是第一个发现一个气体巨行星绕着另一个气体巨行星运行的例子。


这项名为“巨型Exomoon候选kepler -1625 b- i的性质”的研究最近发表在科学期刊《天文学和天体物理学》上。这项研究是由马克斯·普朗克太阳系统研究所的天体物理学家勒内·海勒进行的,他研究了开普勒任务获得的光曲线,以限制exomoon的质量,并决定其真实性质。

一个可居住的外环围绕着一个气体巨人运行艺术图,图片:NASA


在太阳系中,卫星告诉我们很多关于它们的宿主行星的形成和演化。同样对外行星的研究很可能提供对太阳系外行星系统的洞察。正如海勒博士今天通过电子邮件向宇宙解释的那样,这些研究也可以说明这些系统是否有可居住的行星:

月亮已经被证明对研究太阳系行星的形成和演化非常有帮助。例如地球的卫星是确定最初的天体物理条件的关键,比如地球的总质量和地球的原始自旋状态,因为它已经成为我们的宜居环境。另一个例子是,木星周围的伽利略卫星被用来研究木星的原始吸积盘的条件,这颗行星在45亿年前从木星上拉出了它的质量。这个吸积盘早已消失,但在盘内形成的卫星仍在那里。所以我们可以利用这些卫星,特别是它们的当代成分和水的内容,来研究遥远的过去的行星形成。

当谈到开普勒- 1625恒星系统时,先前的研究能够对开普勒- 1625 b和它可能的月球的半径做出估计,这是基于它在其恒星前的三次观测。由这三种观测到的过渡产生的光曲线,导致了开普勒- 1625号的理论,即开普勒- 1625号有一个海王星大小的exomoon轨道,距离地球半径的20倍。


但正如海勒博士在他的研究中所指出的,没有考虑到恒星的径向速度测量(开普勒- 1625),这将对两种天体产生大量的估计。为了解决这个问题,海勒博士考虑了不同的质量体系,除了行星和月球的表观尺寸之外,还考虑了它们的观测特征。除此之外,他还试图将行星和月球放到太阳系的月球形成的背景中。


该图是一个外行星围绕着一个气体巨人(左)和一个海王星大小的外行星(右)。图片:NASA/JPL-Caltech


第一步与Heller博士合作,是根据开普勒观测到的凌日光曲线所显示的特性,对exomoon候选体和其主行星的可能质量进行估计。


对这些数据的动态解释表明,这颗行星的大小大约是木星大小(以半径为单位),而褐矮星的质量大约是木星的18倍。”“然而,由于开普勒数据的噪音,以及短暂的过渡(三),这些不确定性很大。”事实上,宿主物体可能是一个类似木星的行星,甚至可能是一个中等大小的褐矮星,最多37个木星质量。月球候选体的质量介于地球质量和海王星质量之间。


接下来海勒博士比较了exomoon候选人和kepler -1625 b的相对质量,并将这个值与太阳系的各种行星和卫星进行了比较。这一步是必要的,因为太阳系的卫星显示了两个截然不同的人口,这是根据行星质量与它们的准行星质量比相比较的。这些比较表明,月球的质量与它的形成密切相关。


例如通过撞击形成的卫星,如地球的月亮和冥王星的卫星Charon,相对比较重,而由行星的吸积盘形成的卫星相对较轻。虽然木星的卫星Ganymede是太阳系中最庞大的卫星,但与木星本身相比,它是非常小的和微小的——木星是太阳系中最大和最庞大的天体。

从一个假想的月球上,围绕着一个环绕着三星级系统的系外行星,对这一观点的印象图。图片版权:NASA


最后Heller博士得到的结果证明是相当有趣的。基本上,他们指出,开普勒- 1625 b- i不能被定义为这些家庭中的任何一个(沉重的,影响的卫星和较轻的,吸积卫星)。


月球的候选者更多的是重质,这表明它应该通过撞击形成。然而这个exomoon,如果是真的,很可能是气态的。太阳系的卫星都是岩石或冰冷的物体,没有一个重要的气层(泰坦的大气层很厚,但其质量可以忽略不计)。那么,一个气态巨行星如何通过撞击形成呢?我不知道。我不知道有没有人知道。


“或者在第三种场景中,开普勒- 1625 b -我可以通过捕获来形成,但这意味着一个非常不可能的祖行星双星系统,从它被拉入到开普勒- 1625 b的束缚轨道,而它的前行星同伴被逐出系统。


同样有趣的是对基- 1625 b的质量估计,赫勒博士平均为19个木星质量,但可能高达112个木星质量。这就意味着,这个主行星可能是一个气体巨行星的任何东西,它比土星小一点,而不是一个褐矮星,甚至是一个低质量恒星(VLMS)。因此,我们可以用一个气体巨行星绕着一个小恒星运行,而不是一个气体巨行星绕着一个气体巨星运行,而这颗行星的轨道是一个更大的恒星。

t型棕矮星的概念图,图片版权:Tyrogthekreeper/Wikimedia Commons.


这是科幻小说的素材!虽然这项研究不能提供精确的质量约束,但它的意义是不可否认的。除了为天文物理学家提供第一个可能的气体巨型月球的例子外,这项研究对于研究外行星系统的研究意义重大。如果和当kepler -1625 b- i被证实时,它将告诉我们很多关于它的宿主形成的条件。


与此同时,需要更多的观察来证实或排除月球的存在。幸运的是,这些观察将在不久的将来进行。当kepler -1625 b在2017年10月29日进行下一次运输时——哈勃太空望远镜将会观看!根据它观察到的光线曲线,科学家应该能够更好地了解这个神秘的月球是真实的还是它的样子。


如果月球在数据中是一个幽灵,那么大多数研究将不适用于开普勒- 1625系统。”尽管如此,论文仍将给出一个关于如何对未来的外显子进行分类以及如何将它们纳入太阳系的研究。或者,如果kepler -1625 b- i是一个真正的exomoon,那么我的研究表明我们已经发现了一种新的月球,它的形成历史与我们今天所知道的卫星不同。对于天体物理学家来说,这无疑是一个棘手的难题。


对系外行星系统的研究就像把洋葱放在一个黑暗的房间里,灯都熄灭了。随着下一代望远镜在不久的将来的部署,我们一定会学到更多的东西!


知识:科学无国界,博科园-科学科普

参考:Astronomy and Astrophysics

作者:Matt Williams

来自:Universe Today

编译:中子星

审校:博科园

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