谜云再现:近距行星如何逃避吞噬之谜?

  • 黄亚芳
  • 日期:2024-05-13
  • 833

    近期,来自中国科学院大学、北京大学、国家天文台、清华大学以及美国圣母大学组成的国际研究团队,利用Gaia天体测量数据和SOPHIE高分辨率光谱,以及LAMOST等分光样本构建的年龄-运动学/化学元素丰度标度关系,计算了一颗拥有近距离行星的红团簇巨星的年龄,为理解该行星系统的形成与演化提供了重要限制。论文第一作者为北京大学天文系博士生陈慧玲,通讯作者为中国科学院大学黄样副教授和北京大学张华伟研究员。该研究成果发表于国际学术期刊《天体物理学报通讯》(2024, ApJL, 966, L27),正式发表后即被美国天文学会(AAS)Nova网站选为研究亮点,以《谜云再现:不可能存在的行星之谜》(Astronomers Reopen the Mystery of a Planet That Shouldn’t Exist)为题在网站头条报道(见图1)。 

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图1:美国天文学会(AAS)Nova网站的专题报道。

     目前所发现的大部分系外行星系统与太阳系一样,围绕燃烧的“太阳” (宿主恒星)稳定运行。当然,恒星的寿命终有尽头,太阳并不是永恒的。大约50亿年后,太阳将结束稳定的主序阶段,成为一颗红巨星,半径向外急剧扩张并吞噬位于内侧轨道的行星。这部分中心恒星半径扩张所覆盖的范围将成为其附近行星的“禁区”。

     然而,2023年6月,《自然》杂志上发表的一项工作(Hon et al. 2023, Nature, 618, 917)发现了一个特殊的行星系统:在距离主星(一颗经历过半径膨胀过程的红团簇星,8 UMi)不到0.5个天文单位的地方,有一颗行星(Halla)正以极圆的轨道围绕宿主恒星运行。那么,为什么这颗主星在半径增长过程中没有吞噬如此靠近它的行星呢?

     Hon等人将以上谜团归因于这颗宿主恒星的特殊演化过程,他们认为双星并合模型使得这颗主星可以跳过半径增长过程,但这个模型需要至少86亿年来完成演化。因此,年龄测量成为了判断该主星演化路径的重要参数。

     由于双星并合过程并不改变系统自诞生以来在银河系中的运动以及重元素丰度特征,这就为该研究团队基于Gaia DR3提供的天体位置测量数据以及SOPHIE高分辨率观测光谱,从这颗恒星(8 UMi)的运动学和化学性质推断其真实年龄提供了契机。通过运动学分析,研究团队发现8 UMi是一颗年轻的薄盘星(见图2);通过测量作为“化学时钟”的元素丰度比——[C/N]和[Y/Mg],研究团队计算出8 UMi恒星的年龄约为30-40亿年(见图3)。LAMOST红团簇星样本从运动学和化学元素丰度两方面为这颗同为红团簇巨星的恒星年龄测量提供了参考标准,以上两种观测性质皆显示8 UMi是一颗年轻恒星,且该星年龄的测算结果与其作为单星演化的年龄一致,而比双星演化中的理论年龄年轻的多。

    该成果的观测证据表明,双星模型所需的演化时间与8 UMi目前测量的年龄不符,这使得近距行星如何逃避吞噬之谜的问题再现,该成果说明还有更多潜在效应(例如引力潮汐)可能会在恒星-行星系统的后期演化中发挥重要作用。因此,类似地球这样离母星较近的行星,其最终的轨道演化或许比我们曾经认为的更加复杂多样,这也为地球可以逃脱未来“膨胀太阳”的吞噬提供了无限遐想。

    文章链接:https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad3bb4

    AAS NOVA报道:https://aasnova.org/2024/05/10/astronomers-reopen-the-mystery-of-a-planet-that-shouldnt-exist/

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图2: 8 UMi及银河系内与其类似的红巨星阶段恒星(样本来自LAMOST巡天;Huang et al. 2020)的运动学特征图像。不同颜色深度表示不同的平均年龄。

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图3: 依据两个“化学时钟”( [C/N]和[Y/Mg] )进行年龄估计。两个图中的红色星代表测量得到的8 Umi的元素丰度比和年龄。左图中的背景样本来自LAMOST巡天(Huang et al. 2020),实线圈代表不同密度。右图中黑色点为Nissen et al. (2020)的样本,蓝色实线是对这些样本做线性拟合的结果,蓝色虚线内为拟合的1-sigma误差范围。