这是一颗独一无二的“超级膨胀”行星——和木星一样大,但比木星轻10倍

氦存在于受侵蚀的系外行星大气中

外星行星WASP-107b及其恒星WASP-107的艺术再现。这颗恒星的一些光束穿过这颗系外行星延伸的气层。欧洲航天局/哈勃,美国国家航空航天局,M. Kornmesser

这个庞然大物的核心质量太阳系外行星WASP-107b比人们认为的要在像这样的巨型行星周围形成巨大的气体层所需要的能量要低得多木星土星蒙特利尔大学的天文学家发现。

UdeM系外行星研究所(iREx)博士生Caroline Piaulet的这一有趣发现表明,气态巨行星的形成比之前认为的要容易得多。

Piaulet是UdeM天体物理学教授比约恩·贝纳基(Bjorn Benneke)的开创性研究团队的一员,该团队于2019年宣布首次在其恒星宜居带的一颗系外行星上发现了水。

发布于今天(2021年1月18日)天文杂志Benneke说,与加拿大、美国、德国和日本的同事一起,对WASP-107b内部结构的新分析“具有重大意义”。

“这项工作解决了巨大行星如何形成和增长的基础问题,”他说。“它提供了具体的证据,证明在比先前认为的质量小得多的地核上,可以触发气体包层的大规模增生。”

和木星一样大,但比木星轻十倍

黄蜂-107b于2017年在距离地球212光年的室女座黄蜂-107附近被首次探测到。这颗行星与它的恒星非常接近——比地球与太阳的距离近16倍。WASP-107b与木星一样大,但却比木星轻10倍,是已知的密度最小的系外行星之一:天体物理学家将其称为“超级膨大”或“棉花糖”行星。

Piaulet和她的团队首先使用了在夏威夷凯克天文台获得的WASP-107b的观测数据来更准确地评估其质量。他们使用了径向速度法,这种方法可以让科学家通过观察其主星由于行星的引力而产生的摇摆运动来确定行星的质量。他们得出结论,WASP-107b的质量约为木星的十分之一,约为地球的30倍。

研究小组随后进行了分析,以确定这颗行星最有可能的内部结构。他们得出了一个令人惊讶的结论:如此低的密度,这颗行星一定有一个不超过地球质量四倍的固体核心。这意味着超过85%的质量包含在环绕这个核的厚厚的气体层中。相比之下,海王星它的质量与WASP-107b相似,但它的气层只占总质量的5%到15%。

“我们对WASP-107b有很多疑问,”皮奥莱特说。“这么低密度的行星是怎么形成的?”它是如何防止其巨大的气体层逸出的,尤其是考虑到这颗行星离它的恒星很近?

“这促使我们做了彻底的分析,以确定其形成历史。”

一颗正在形成的气体巨星

行星是在围绕着一颗被称为原行星盘的年轻恒星的尘埃和气体盘中形成的。气态巨行星形成的经典模型是基于木星和土星的。在这些星系中,一个比地球质量至少大10倍的固态核需要在圆盘消散之前积累大量气体。

如果没有一个巨大的核心,人们认为气态巨行星就无法跨越必要的临界门槛,以形成并保留它们巨大的气体包裹层。

那么,如何解释WASP-107b的存在呢?它的核心质量要小得多。麦吉尔大学教授、iREx成员Eve Lee是研究像WASP-107b这样的超级膨胀行星的世界知名专家,她提出了几个假设。

她说:“对于WASP-107b来说,最可能的情况是,这颗行星形成于离恒星很远的地方,在那里,圆盘中的气体足够冷,气体吸积可以非常迅速地发生。”“这颗行星后来能够迁移到目前的位置,通过与盘或系统中的其他行星的相互作用。”

发现第二颗行星WASP-107c

凯克对WASP-107系统的观测时间比之前的研究要长得多,这使得udemu领导的研究团队有了额外的发现:另一颗行星WASP-107c的存在,其质量约为木星的三分之一,比WASP-107b的质量大得多。

WASP-107c距离中央恒星也远得多;相比之下,WASP-107b只需要5.7天就能绕轨道运行一周。同样有趣的是:第二颗行星的偏心率很高,这意味着它围绕恒星的轨道更像椭圆形而不是圆形。

皮奥莱特说:“WASP-107c在某些方面保存了其系统中发生的事情的记忆。”“它的巨大反常暗示了它相当混乱的过去,行星之间的相互作用可能导致了重大的位移,就像黄蜂-107b被怀疑的那样。”

几个问题

除了它的形成历史之外,围绕WASP-107b还有许多谜团。对行星大气的研究哈勃太空望远镜2018年发表的一篇文章揭示了一个惊喜:它几乎不含甲烷。

“这很奇怪,因为对于这种类型的行星,甲烷应该是丰富的,”Piaulet说。“我们现在正在重新分析哈勃望远镜的观测结果,看看它将如何影响结果,并研究什么机制可能解释甲烷的破坏。”

这位年轻的研究人员计划继续研究WASP-107b詹姆斯·韦伯太空望远镜该卫星将于2021年发射,届时将提供更精确的火星大气组成信息。

她说:“像WASP-107b这样的系外行星在我们的太阳系中没有类似的行星,这让我们可以更好地理解行星形成的一般机制以及由此产生的各种系外行星。”“这激发了我们对它们进行细致的研究。”

WASP-107b的密度更低:一个案例研究的物理吸积气体信封和轨道迁移”卡罗琳Piaulet Bjorn Benneke,瑞安·a . Rubenzahl安德鲁·w·霍华德,夏娃j·李,丹尼尔•Thorngren鲁思•安格斯Merrin彼得森,约书亚·e·Schlieder迈克尔•沃纳罗拉Kreidberg,塔里克·Jaouni,伊恩·j·m·克罗斯菲尔德大卫·r·Ciardi埃里克·a·Petigura约翰·利文斯顿,考特尼·d·酱,本杰明·j·富尔顿查尔斯•Beichman杰西·克里斯琴森,Varoujan Gorjian,凯文·k·Hardegree-UllmanJessica Krick和Evan Sinukoff, 2021年1月18日,天文杂志
1538 - 3881 . DOI: 10.3847 / / abcd3c

除了Piaulet (iREx博士生,大学蒙特利尔)和教授Bjorn Benneke (iREx,大学蒙特利尔)和夏娃李(麦吉尔大学iREx,麦吉尔空间研究所),该研究小组包括丹尼尔Thorngren (iREx博士后,大学蒙特利尔)和Merrin彼得森(iREx moran的学生),和其他19个的合著者来自加拿大、美国、德国和日本。

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