2022年12月3日 星期六

天文學家發現一顆密度高達地球兩倍的氣體巨行星

Image© NASA/JPL-Caltech

由德國馬克斯-普朗克天文研究所 (MPIA) 的天文物理學家 Olga Zakhozhay 所領導的團隊研究發現,HD-114082b 這顆只有1,500萬年的年輕氣態巨行星,密度居然達到地球的兩倍、木星的近10倍,與目前公認的模型相比高了2-3倍,令天文學家大感不解。HD-114082b 位於大約310光年外,是迄今發現最年輕的系外行星之一。

天文學家通常以凌日法來估計系外行星的大小、以沿徑速度法來推算其質量。研究人員綜合近四年來對 HD-114082b 的觀測數據,推算出其半徑約與木星相同,但質量是木星的8倍,意即其密度高達地球的兩倍,木星的近10倍。

但從其大小和質量來看,它不太可能是一顆超大的岩質行星;通常岩質行星的上限是大約是地球半徑的3 倍地球質量的25倍。此外,岩質行星的密度範圍並不大,超過這個範圍,星體的密度會變大,行星的引力也將保留大量的氫和氦。由於 HD-114082b 密度遠超過此,而且其軌道半長軸約 0.51 AU,因此推測它應該是一個熱木星型的氣態巨行星。

Image©NASA/Zakhozhay

但天文學家不確定它是如何形成。MPIA 的天文學家 Ralf Launhardt說表示,巨行星可以在氣體和塵埃組成的原行星盤中,經由兩種方式來形成。第一種是核心積聚(core accretion),首先是塵埃靠靜電積聚成較大的固態粒子,然後形成大的岩石核心,質量越大引力越強,增長速度也越快,之後便開始吸積氣體,形成氣體包覆岩石核心的巨大行星,氣體在落至核心的過程中釋放熱量,因此溫度較低,稱為冷啟動(cool start)。另一種方式為盤不穩定(disk instability),由原行星盤中引力不穩定的緻密氣體塊直接坍縮成沒有岩石核心的巨行星,其氣體保留了較多熱量,稱為熱啟動(hot start)。由於兩者冷卻的速度不同,所以天文學家可以藉由系外行星的溫度來瞭解其形成過程。 

HD-114082b 的特徵並不符合熱啟動模型,因為它的大小和質量比較符合核心積聚模型,但其質量對於大小來說仍然太大了,除非是擁有異常密實的核心,不然就是有其他原因。不過 Launhardt 表示,現在放棄熱啟動還為時過早,因為我們還沒有對巨行星形成有完整了瞭解。

HD-114082b 是我們目前所知年齡不到 3,000 萬年的三顆年輕行星之一,而且這三顆的特徵似乎都不符合盤不穩定模型。雖然樣本數量很少,但也許核心積聚真的可能比較普遍。不過還需要更多證據和樣本來確認,同時也得根據觀測數據來重新評估行星形成理論。

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