新星的发现之旅

作者: Matthew Kenworthy

来源: Frontiers for Young Minds

发布日期: 2017-04-30 07:23:09

本文介绍了天文学家发现一颗系外行星及其巨大行星环的过程,讨论了行星环的形成和对恒星光度的影响,以及未来的观测计划。

最近,天文学家发现了一颗系外行星,围绕它的行星环尺寸惊人,比土星的环还要大上200多倍。这颗行星非常年轻,行星环中可能正在诞生它的卫星,而我们从地球上就可以看到这个超大行星环的阴影。现在,天文学家正在寻找其他像它一样有着巨大行星环的行星。就在今年,2017年,可能就能观测到行星绘架座βb(beta Pictoris b)以及它的行星环啦!

当一颗行星运行到它的母恒星前面,会挡住来自母恒星的一部分光线,这个阶段长达好几个小时,被称为行星凌星。天文学家正是通过这种掩星法发现了银河系里的很多行星。他们利用小型望远镜,测量行星在恒星前面移动而造成的恒星亮度的改变,进而发现并观测新的行星。像木星这种巨大的天体,其直径可达恒星的十分之一,它挡住的光相当于恒星总光线的百分之一。

在发现新行星方面,这些小小的望远镜取得了巨大的成就。在地球上观测到了300多颗行星绕着母恒星移动。还有更多行星没被观测到,因为它们的运动轨道跟地球上的望远镜不在一条线上。2009年发射的开普勒号空间探测卫星,用同样的方法发现了1000多颗行星。

但同时也有一个问题。使用电脑根据亮度减弱来探测行星是有难度的,因为还有其它天文现象跟行星凌星很像。比如,当两颗恒星运行时碰巧互相阻挡对方的光亮,看起来与行星凌星类似,探测就会出现假阳性。

有些恒星也会因为如下原因导致亮度改变:膨胀、坍缩、表面发生爆炸,或者正把附近其它恒星的星屑吸引过来。这些现象都可能造成假阳性。由于众多天文现象的误导性,超广角行星探测器的建造者把所有数据都放到了网上,以供其他天文学家下载,方便大家一起研究。而他们也就是这么发现J1407的。

美国罗切斯特大学的Eric Mamajek教授和他的研究生Mark Pecaut,研究了超广角行星探测器数据库里的数据。Eric和Mark都是发现年轻恒星的专家。年轻恒星有两个标志:(1)表面有许多黑子,黑子区域比其他部分温度更低,看起来像小黑点。(2)年轻恒星比较老恒星自转速度更快。太阳自转一圈大概需要25天,但年轻恒星只需要2到3天。

年轻恒星自转时,其表面的黑点会时而不见、时而可见,这会对亮度的变化产生小小的影响。通过观察恒星发出的光,Eric和Mark观测到每次自转时亮度的周期性改变。数据库里记录着很多恒星的亮度变化情况,为发现年轻恒星提供了完美的平台和有力的证据。

其中被观测到的一颗恒星叫做J1407。他们发现这颗恒星的光数据非常奇怪。这颗星的全名叫做1SWASP J140747.93-394542.6,这个名字来源于它在天空中的坐标位置,我们简称它为J1407。

在头两年的时间里,这颗星表现得非常规矩听话,它的光度每隔3.2天就呈现出微小的变化,这显示它是一颗旋转得很快、可能也非常年轻的恒星。直到2007年中期,它开始表现出了异常。

在两个月的周期里,这颗恒星的亮度开始变得黯淡,接着回到正常值,之后又黯淡了大约一周,然后反着重复了这个过程,最后才回到正常值。而且,它变暗的速度非常非常快。只用了一夜的时间,光度就下降了一半多。这到底是什么原因导致的呢?

唯一行得通的解释,就是我们看到的其实是位于大行星环内的大量小行星环,就跟围绕着土星的行星环一样,在地球和这颗恒星之间运行。

鉴于这颗恒星变暗和变亮的速度如此迅速,我们可以想见,挡住它的行星环的移动速度有多快。将此速度乘以亮度变化的天数,可以估算得到行星环的大小:它的直径大于1.8亿千米!这些行星环的大小相当于金星围绕太阳公转的轨道,这真是太不可思议了!

但是这些行星环在哪里,它们在这颗恒星的周围吗?不是。最简单的解释是,有一个看不见的行星在离J1407很远的地方绕行,行星周围有着巨大的行星环——比土星的环还要大200多倍(行星环围成的面积则是四万多倍)!

天文学家用母恒星的名字加上字母“b”给行星命名。为什么用“b”而不是用“a”?原因是恒星被认为是星系中的第一个天体,被称为“a”,它周围的行星将是“b”“c”“d”等等。因此,围绕恒星J1407的行星被命名为J1407b。

在土星的历史早期,很有可能有更大的行星环系统,但这些物质已经坍缩,形成了我们今天看到的土星的卫星。J1407b的行星环最终也会坍缩,形成环绕它的卫星。在接下来的几百万年里,这颗行星周围可能形成土星尺寸的行星环。

当数据提示在距离恒星大约400光年外的宇宙中游荡着巨大的天体,我们立刻用世界上最大的望远镜来拍摄这个惊人的星系。虽然望远镜不够强大,无法看到单个的行星环,但也许可以看到在环中心发光的行星。

搜索行星J1407b行星形成时是一个充满致密热气的球体。而所有温暖的物体都会发出热能,行星也在不断地散发“热光”。热能的波长是可见光波长的三四倍,我们可以借助一种能“看到热”的摄像机来从地球上观测星体,搜寻J1407b。许多快速冷却的小石块组成了行星环,因此无法被这种感热摄像机所探测到。

当用热探测望远镜观察时,我们没有看到恒星J1407附近的天体,但这并不意味着该星系没有行星。我们知道那里有行星环,而行星环的形成需要依靠行星的重力。热探测望远镜的数据说明,这颗行星比我们原先以为的要更小。事实上,如果行星特别小,即使用世界上最大的望远镜,也无法被观测到,因此我们认为J1407周围的行星最多只比木星重80倍,否则是能够观测到它的“热光”的。

恒星J1407相对明亮,可以使用小型望远镜看到,所以我们希望世界各地的业余天文学家都来观测这颗星星,并拍摄照片。我们现在正在等待行星环再次移动到恒星前,不过,这一定会发生吗?已有数据推测它将在未来10年内发生,可能在明天就开始了——所以最好继续密切关注,耐心等待。

在数码相机还没有如今这般流行的时代,天文学家用的是感光板来拍摄天空的影像。感光板是像脑袋大小的薄玻璃片,表面涂有特殊的光敏化学物质,当有光线照射时,它由透明变成黑色。天文学家将感光板放入望远镜中,瞄准天空静静观察数小时,再用化学试剂在暗房中冲洗,望远镜所拍摄的天体就能在感光板上呈现出黑色斑点。

一百多年间,人们拍摄了数十万张照相板。哈佛天文台收集了很多这样的感光板,正在使用专用扫描照相机将其传到电脑上。所得到的这些旧数据可以被用来搜索过去是否记录到了J1407被行星环遮挡。现在,这个研究还在进行中。

2017年,有一颗行星会运行到它的恒星前面。这颗恒星被称为绘架座β(beta Pictoris),中文星名为老人增四,它的行星叫绘架座βb,比木星重约10倍。自从2010年被发现以来,人们已经拍到了这颗行星的照片,行星绘架座βb的轨道将在2017年的某个时候移动到恒星前面。我们无法预知确定的时间,因为旁边的恒星非常明亮,导致行星的确切位置很难测量。

在接下来的两年里,通过继续给绘架座β拍照,或许能看到行星环的阴影路过它的样子。如果这一点被观测到,将是非常令人振奋的,因为世界各地的天文学家都可以看到这颗非常明亮的恒星,并同时收集很多数据。

对于恒星J1407,我们正无比耐心地等着行星环路过它,等着将持续两个月的凌星现象。我们会观测到恒星的光度变化吗?行星环到底是由什么物质组成?答案终将揭晓,请大家拭目以待吧!

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