拥有三个太阳的惊人行星系统

[ 录入者:gohomeman1 | 时间:2016-07-17 22:17:47 | 作者:gohomeman1译 | 来源:ESO官网 | 浏览:1812次 ]

原文标题:A Surprising Planet with Three Suns

原文作者:Kevin Wagner,Daniel Apai;Markus Kasper,Richard Hook

来自:ESO官网; 发表时间:2016.7.7

翻译:gohomeman1  审校:数星星的猫(编译版权所有,未经许可请勿转载)

借助欧洲南方天文台(ESO)的甚大望远镜(VLT)上的高分辨率偏振光谱分析法系外行星搜索仪(SPHERE),一个天文学家团队首次发现了一颗以很宽的轨道绕三恒星系统运转的系外行星。这种轨道理论上是不稳定的,行星可能很快就被三星系统踢出;但是它却幸存下来了。这个出乎意料的观测结果意味着那种系统可能比起先预期的更普遍。本研究报告将发表在2016.7.7的《科学》期刊在线版上。

HD 1313999 Ab系统示意图。大图:38.6MB,版权:ESO,VLT;动画制作者,下同。

本 图是HD 1313999Ab行星环境的示意图,近处的A星是蓝白色的(类似于织女星)。远处的双星,B星与太阳十分相似,C星属于橙矮星。

在《星球大战》系列中,天行者·卢克(Luke Skywalker,Luke既与luky幸运发音相近,又是编剧兼导演Lucas的昵称,译注)的家乡星球塔图因(Tatooine)的天空中有2个太阳,但是天文学家现在发现了更加怪异的世界——根据季节的不同,一天中可能经历三次日出和三次日落,而一个季节可能延续超过100年(原作者显然没读过《三体》,这不是最典型的三体环境嘛!)。

这个异星世界是由美国亚利桑那州立大学为首的天文学家团队,使用ESO位于智利的VLT,通过直接拍照的方式发现的。这个行星,编号HD 131399Ab(注1),与已知的其他系外行星都不同:它虽然也绕三恒星系统中最亮的那颗运行,但轨道却是迄今为止最开最远的。这种轨道通常会因为另外两颗恒星复杂而多变的引力作用而很不稳定的,而行星能在这种系统中稳定存在极不寻常。

HD 1313999系统在半人马座的定位(红圈所在),大图:913KB

HD 131399Ab位于半人马座,离地球约320光年。HD 131399Ab仅约1600万年,是有记录的最年轻系外行星之一,也是极少数直接获得影像的系外行星。它的表面温度约580℃,质量约为4个木星,在直接拍照的案例中,属于最冷最小质量的系外行星之一。

研究报告合作者、亚利桑那州立大学的丹尼尔·阿帕(Daniel Apai)解释说:“HD 131399Ab是少数几个直接成像确认的系外行星之一,而且它是第一个处于如此有趣的动力学配置下。”

研究报告首席作者、HD 131399Ab发现者凯文·瓦格纳(Kevin Wagner)补充道:“在该行星持续约550年的漫长公转周期中,大约一半的时间,天空中可以看到3个太阳。当然两个恒星要暗得多,并靠得很近;它们与最亮太阳的角距离,随着岁月变迁而不断改变。” (注2)

VLT拍摄的三合星系统全景,此图实际上多次曝光的组合图,因为行星本身太暗,必须遮蔽恒星光芒后才能获得。大图:34.5MB

凯文是亚利桑那州立大学的博士研究生(PhD),从上百颗行星候选者中辨识出它,并领导了对其属性进行确认的后续观测。

HD 131399Ab也是甚大望远镜(VLT)上的SPHERE仪发现的首个系外行星。作为工作在近红外波段、以偏振分光为观测手段的高灵敏度设备,在VLT自身能对抗大气扰动的自适应光学技术和遮蔽恒星光芒的星冕仪帮助下,SPHERE能探测到年轻行星的温度信息。

虽然精准确定该行星的轨道需要长期的反复观测,当前数据和模拟看来支持如下情景:最亮的主星HD 131399A,质量约为1.82个太阳;另一对恒星B和C,质量约为0.96、0.60个太阳(根据PDF报告,译注)。这对双星与A主星的平均间距约350个天文单位(AU,相当于日地平均距离),像哑铃一样互相绕转(所有的稳定三合星都是这种结构,译注)。而BC双星间距约10AU,相当于太阳和土星的距离。

PDF插图,b星轨道与太阳系的比较。

在此环境下,HD 131399Ab围绕A主星的轨道半长轴(可通俗理解为半径,但该行星轨道估计偏心率约0.35,比冥王星的0.245大很多,译注)约为82AU,大约是冥王星轨道半径的2倍,行星最远点基本位于A星与B/C双星间距的1/3处。报告作者认为,这种系统存在各种可能性,而轨道的长期稳定性需要等待计划中的后续观测、更好地确定了行星轨道后再说。

Apai接着介绍说:“假如这颗行星进一步远离系统中的最大质量恒星,它将被踢出整个系统。我们的计算机模拟显示这样的轨道堪堪能稳定,但只需要稍稍改变初始条件,轨道立马转为不稳定。”

天文学家和行星学家对多星系统中的行星特别感兴趣,因为它们提供了在那些极端环境中,行星形成机制如何运作的案例。多恒星系统看起来与我们太阳系这样的单恒星系统迥异,但事实上多星系统在宇宙中却更普遍。

凯文总结说:“事实上我们还不清楚这颗轨道如此开的行星在这个极端系统中的结局是什么,也说不好它对我们更广泛地了解系外行星系统到底有多重要;但它表明行星系统比大多数人想象的可能性更丰富。我们只知道,多恒星系统中的行星很少被研究,但它可能像单恒星系统中的行星一样普遍。”

凯文团队的研究报告刊登在2016.7.7的《科学》期刊在线版上,标题:“直接成像技术发现在三合星系统中发现类木行星。”

HD 1313999系统运行的示意图,大图:22.1MB

附注:

1、HD 131399三合星系统的主星(最亮的)编号HD 131399A,另外两颗后缀自然是B、C,大写英文代表恒星。而A星的行星,分别以b、c、d等小写字母表示(注意没有a,B星同样从b开始)。

2、HD 131399Ab的公转纪元中,有很多年三颗恒星在天空中靠得比较近,白昼黑夜像普通行星一样交替出现,但是能看到独特奇景:三次日出和三次日落。随着行星运转,三颗恒星在天空中的位置越来越远,白天越来越长;直到某一天,A主星日落的时候,B、C双星就开始日出,结果行星将处于长期白昼中(准确的说,只有双星在天空中的时候,处于黄昏或黎明的状态,与A星主导的白昼是不同的,译注),这个时段大约占公转周期的1/4——约140年(作为对比的海王星公转一周约164年)。

译者注:

三体问题早已在数学上被严格证明,普通的三体问题是混沌的(就像天气预报那样存在蝴蝶效应),不存在稳定解。能够稳定运行的是特例,比如太阳地球月球这样的系统。本例中,A星与BC双星是稳定三体解的另一个常例。加入行星后,双星可以当做一体,这样的三体,由于行星离A星比较远,事实上很容易出现混沌结局。我们可以简单计算得知,双星的引力极大值相当于A星的8%,而且引力梯度与A星差不多在类似数量级,这样的扰动足以让行星轨道发生明显偏离。所以这个系统是否稳定,还真有待长期观测;译者甚至怀疑行星本身是否属于该系统,因为这个方向正是银河系天体最密集区域。

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