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让科学家很关心的TRAPPIST-1行星系,它的水究竟从哪里来的?

2020/6/27 3:26:21 来源:原创 浏览:

科学家观察TRAPPIST-1和Proxima Centauri,有一些关于彗星带的新发现。

2017年,一个国际天文学家团队公布了一项重大发现。基于常年的观测,他们发现TRAPPIST-1①系统(一颗距离地球四十光年的光谱类型为M的红矮星)至少有七颗岩态行星!不仅如此②,其中有三颗行星都在宜居带,而且这个系统已经有八十亿年的时间来发展生命必须的化学物质。

与此同时,因为这些行星紧紧围绕着他们的母星公转,人们开始猜测这三个行星或许可以长期地拥有大气层和液态水。根据那个国际天文学家团队的最新研究,这一切的疑问都归结于形成行星的碎屑盘从哪里来,还有周围的彗星是否会继续贡献他们的水资源。

负责这项研究的团队是由马克斯·普朗克天文研究所的(MPIA)Sebastian Marino带领的。团队里有来自剑桥、华威、伯明翰大学和哈佛-史密森天体物理中心的研究员,当然还有MPIA的。这项描述他们惊人发现的研究发表在了《皇家天文学会月刊》上。

关于太阳系的形成,当前天文学家普遍认为太阳系是在46亿年前诞生于一团聚集着气体,游荡着尘埃和挥发物的星云(又名:星云假说)。在这个理论中,元素先在中央聚合,再经过引力坍缩形成了我们的太阳。其余的物质长年累月地围绕着太阳漫无目的漂浮,最终,它们达成了共识,互相靠拢,吸聚成了各大行星。

在太阳系的外围,没抱团而剩下的物质成了边疆的守卫者,太阳系的腰带,同时涵养了大量的冰核③——这就是柯伊伯带。根据晚期撞击理论④,从柯伊伯带脱离的数不胜数的彗星和冰冻物质落回到太阳系的中心,而它们带来的水分,分散在地球和太阳系的各个角落。

如果TRAPPIST-1行星系有自己的柯伊伯带,那么就可以推断出类似的过程。在这种情况下,重力的些微变化会导致物体从柯伊伯带上被踢出,然后这些物体在朝着七个行星运行时其表面会有水沉积。在合适的大气环境作用下,恒星的HZ中的三个行星表面可能已经有大量的水。

正如马里诺博士通过电子邮件向《今日宇宙》解释的那样:

柯伊伯带的存在表明该行星系可能有大量的挥发物和水。该储层通常位于行星系的较冷区域之外,但是存在各种不同的过程,可能会将一部分富水物质带到HZ行星附近并输送其含量。找到彗星带表明首先就存在这样的储水层。

冥王星及其卫星位于海王星轨道以外的含冰小行星柯伊伯带。图片来源:NASA.

然而,马里诺博士也提出一个警示,即今天的恒星周围如果没有这样的柯伊伯带,并不能证明这个星系没有足够的水来维持生命。完全有可能有这样一个柯伊伯带的星系在数十亿年的演化之后,由于一些激烈事件而最终失去了它们。由于柯伊伯带会随着时间的推移自然而然变得不那么大而亮,因此它们也可能变得太微弱而无法检测得到。 为了寻找环绕TRAPPIST-1行星系的外柯伊伯带,研究小组依靠了阿塔卡马大型毫米波天线阵(ALMA,简称阿尔马)收集的数据。该阵以高灵敏度地检测到那些电磁辐射在红外和无线电波长之间的物体而闻名。

这使ALMA可以看到尘埃和挥发性元素(如一氧化碳),而这二者是碎屑带的特征。它们通常太微弱,可见光之下看不见它们,但由于它们从恒星各自吸收的热量而发出热辐射。尽管ALMA很敏感,但该团队没有发现在TRAPPIST-1周围存在外柯伊伯带的证据。

“不幸的是,我们没有在TRAPPIST-1周围侦测到,但是我们的上限让我们能排除该星系最初在与柯伊伯带( Kuiper Belt)相近的距离上有一个巨大的大型彗星带这一点。” Dr. Marino说,“尽管该星系可能确实有过一个彗星带,但是由于星系内的动态不稳定性而被完全破坏。

TRAPPIST-1星系中的三颗行星 TRAPPIST-1e, f 和 g位于该星系的“宜居带”中。

他们进一步得出结论:TRAPPIST-1星系本应该天然带有一个半径小于40AU的行星盘和不到20个地球质量的物质。此外,他们还得出结论:行星盘中的大部分尘埃颗粒很可能已经向内移动,并已成为了该星系中七颗行星的一部分。

Dr. Marino和他的同事们还用他们的建模代码来检测关于比邻星Proxima Centauri及其系外行星的档案ALMA数据,被检测的行星包括被岩石覆盖的潜在宜居星球 Proxima b和新发现的超级地球 Proxima c。2017年,ALMA数据被用于证明那里有冷尘和碎片带的存在,这被看作是一种该恒星拥有更多系外行星的可能迹象。

在这里,他们的结果仅显示了气体和尘埃排放的上限,这意味着 Proxima Centauri的年轻盘大小大约是形成太阳系的盘的十分之一。正如Dr. Marino 所言,这项研究提出了一些关于小质量恒星系统的问题:

如果我们持续发现观察到的这类星系没有巨大的彗星带,那意味着本该形成彗星的物质在附近形成了新行星或使附近的行星变大。这些行星的组成尚不确定,因为它实际上取决于行星的位置和形成方式。还有要指出的是,在附近的恒星中,20%周围有这种彗星带,这些恒星和太阳相似或者更大更亮。而在小质量恒星周围彗星带会更罕见,我们只在M恒星周围观察到几个。


一位画家对半人马座比邻星星系的艺术图:Proxima b位于比邻星左侧,而Proxima C在比邻星右侧。图片来源:Lorenzo Santinelli

Marino博士称:“相较于M型恒星周围的冷带,可能是由于某些特定的星系偏袒导致我们更容易发现亮星周围的较暖带。当然,这也可能是围绕类太阳恒星(G型恒星以及亮度更高的光谱型恒星:O型、B型、A型、F型)的行星系和围绕红矮星的行星系之间的的本征差别导致的。简而言之:这些结果使得早期的水如何输运到M型星系统的各处成为了一个迷。”在此之际,为了重新完善他们的模型以及增加被探测的可能性吗,他们鼓励Marino博士以及他的同事把他们的技术应用至更年轻,离我们更近的恒星系统。

这些付出与努力同样也受益于将会在未来几年投入使用的新空基、地基望远镜。Marino博士称:“预计某些下一代天文望远镜会更加灵敏,由此可以观测到那些已经被确认存在,但亮度不足以用现有的望远镜观测到的星带。与一些其它发现相同,这些结果都表明系外行星研究如何从探索过程到表征过程。随着设备和方法学的进步,我们将会看到其他类型的行星系与我们太阳系的差异。”

给小白的科普(按文中出现顺序):

①TRAPPIST-1:在众多系外行星中,距离地球约39.13光年的TRAPPIST-1是一个特别的存在。该行星系统拥有7颗类地行星,其中2颗行星的体积在火星和地球之间,而其他五颗行星都与地球的体积非常接近。共有3颗行星的轨道位于“宜居带”内,而较内侧6颗行星的轨道几乎都是共振的。与此同时,除了太阳系以外,TRAPPIST-1也是科学家们了解最多的行星系统。

② Kuiper Belt:柯伊伯带是太阳系在海王星轨道(距离太阳约30天文单位)外黄道面附近、天体密集的中空圆盘状区域,被认为包含许多微星,它们是来自环绕着太阳的原行星盘碎片,它们因为未能成功地结合成行星,因而形成较小的天体,最大的直径都小于3000公里。

③Proxima Centauri:在广阔无垠的太空中,有无数颗恒星,其中离太阳最近的一颗恒星称为比邻星,它位于半人马座,学名:半人马座α星C,离太阳只有4.22 光年,相当于399233亿公里,可想而知,宇宙之大,虽说是比邻也远在天涯。比邻星是一颗三合星。它们在相互运转,因此在不同历史时期, “距离最近”这顶世界之最的桂冠将由这三颗星轮流佩戴了。

相关知识

TRAPPIST-1,也被称作:2MASS J23062928-0502285,是一个温度极低的红矮星,体积比木星稍大,但质量比木星要大得多。它位于水瓶座,距太阳39.6光年(12.1秒差距),检测到该星周围有七个气候温和的类地行星,比其他行星系中发现的都要多,2017年5月的一项研究表明,如果我们猜想这些行星是通过原行星盘来迁移到现在的轨道,那这个行星系的稳定性就不足为奇了。


作者:universetoday

FY:Astronomical volunteer team

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