大自然的放大鏡揭示意想不到的中等質(zhì)量系外行星

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的位置理論，即系外行星可能會(huì)改變行星的形成。質(zhì)量在海王星和土星之間，它的位置在主星的“雪線”之外。如此規(guī)模的外星世界應(yīng)該很少見。

來自馬里蘭大學(xué)和美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心(GSFC)的博士后研究員阿帕娜巴特查亞領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)今天在西雅圖舉行的美國天文學(xué)會(huì)第233次會(huì)議上宣布了這一發(fā)現(xiàn)。

與此同時(shí)，研究人員利用近紅外相機(jī)、第二代(NIRC2)儀器將系外行星的高分辨率圖像附著在夏威夷莫納克亞WM Keck天文臺(tái)10m Keck II望遠(yuǎn)鏡和哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的寬視場相機(jī)3(WFC3)儀器上，命名為OGLE-2012-BLG-0950Lb，從而確定它們的質(zhì)量。

Bhattacharya說：“我們驚訝地看到，這個(gè)質(zhì)量出現(xiàn)在中間巨型行星的預(yù)測質(zhì)量間隙的中間。“就像在系外行星的沙漠中找到一片綠洲！”

“我對(duì)阿帕娜完成分析的速度非常滿意，”合著者大衛(wèi)貝內(nèi)特說，他是馬里蘭大學(xué)和GSFC大學(xué)的高級(jí)研究科學(xué)家。“她必須開發(fā)一些新的方法來分析這些數(shù)據(jù)——這是一項(xiàng)從未做過的分析?！?

令人難以置信的是，另一組天文學(xué)家(包括巴特查亞和貝內(nèi)特)幾乎同時(shí)發(fā)布了統(tǒng)計(jì)分析，表明這顆次級(jí)土星質(zhì)量的行星畢竟并不罕見。

航天科學(xué)研究所的主要作者景島樂鈴木說：“當(dāng)OGLE-2012-BLG-0950Lb的質(zhì)量測量結(jié)果出現(xiàn)時(shí)，我們剛剛完成分析。"這顆行星證實(shí)了我們對(duì)統(tǒng)計(jì)研究的解釋."

OGLE-2012-BLG-0950Lb的團(tuán)隊(duì)成果發(fā)表在12月《天文學(xué)雜志》上，統(tǒng)計(jì)研究發(fā)表在12月20日《天體物理學(xué)雜志》上。

OGLE-2012-BLG-0950Lb是統(tǒng)計(jì)研究中的次土星行星之一。所有這些都由微透鏡檢測。目前，這種方法只能靈敏地探測到質(zhì)量小于土星的行星處于類似木星的軌道上。

微透鏡利用愛因斯坦廣義相對(duì)論的結(jié)果：光線在像恒星這樣的大物體附近的彎曲和放大，并在天空中產(chǎn)生自然透鏡。在OGLE-2012-BLG-0950Lb的情況下，來自遙遠(yuǎn)背景星的光在兩個(gè)月內(nèi)被OGLE-2012-BLG-0950L(系外行星的主星)放大，因?yàn)樗谔炜蘸捅尘靶侵g幾乎完全對(duì)齊。

通過對(duì)對(duì)準(zhǔn)過程中光線的仔細(xì)分析，觀察到持續(xù)約一天的意外變暗，并通過其對(duì)鏡頭的影響揭示了OGLE-2012-BLG-0950Lb的存在。

方法

通過光學(xué)重力傳感實(shí)驗(yàn)(OGLE)的微透鏡測量望遠(yuǎn)鏡與天體物理微透鏡觀測(MOA)的合作，首次探測到OGLE-2012-BLG-0950Lb。

Bhattacharya的團(tuán)隊(duì)隨后利用凱克天文臺(tái)強(qiáng)大的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，與NIRC2相結(jié)合進(jìn)行后續(xù)觀測。

班尼特說：“凱克的觀測使我們能夠確定，一顆大小為亞土星或超海王星的行星的質(zhì)量是地球的39倍，其主星是太陽的0.58倍。“他們測量了前景行星系統(tǒng)與背景恒星的分離。這使我們能夠計(jì)算微透鏡事件的完整幾何形狀。沒有這些數(shù)據(jù)，我們只知道行星的質(zhì)量比，而不是單一的質(zhì)量?！?

為了進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，鈴木的團(tuán)隊(duì)和MOA分析了微透鏡發(fā)現(xiàn)的30顆亞土星行星的性質(zhì)，并將其與核心吸積理論的預(yù)測進(jìn)行了比較。

挑戰(zhàn)理論

微透鏡法的獨(dú)特之處在于它對(duì)軌道超出主星“雪線”的OGLE-2012-BLG-0950Lb等亞土星行星的靈敏度。

雪線或霜線是年輕太陽系(也稱為原行星盤)中的距離，那里太冷了，水無法凝結(jié)成冰。在雪線之外和之后，行星形成所需的固體物質(zhì)數(shù)量急劇增加。根據(jù)核心吸積理論，認(rèn)為固體首先通過化學(xué)和引力過程形成行星核心。

班尼特說：“核心吸積理論的一個(gè)關(guān)鍵過程被稱為“不受控制的氣體增加”。巨型行星被認(rèn)為是通過收集大約10倍于地球質(zhì)量的核心巖石和冰開始形成的。在這個(gè)階段，氫和氦開始緩慢增加，直到質(zhì)量加倍。然后，預(yù)計(jì)在這種不受控制的氣體吸積過程中，氫和氦的增加將呈指數(shù)增加。當(dāng)供應(yīng)耗盡時(shí)，此過程停止。如果在不受控制的吸積停止之前停止天然氣的供應(yīng)，我們將得到質(zhì)量為10-20個(gè)地球質(zhì)量的“失敗的木星”行星(如海王星)?！?

根據(jù)基于堆芯吸積理論的不受控制的氣體增加的情景預(yù)測，像OGLE-2012-BLG-0950Lb這樣的行星很少見。地球的質(zhì)量是地球的39倍，這種大小的行星被認(rèn)為繼續(xù)處于快速增長階段。

束于一個(gè)更加龐大的行星。這一新結(jié)果表明，失控的增長方案可能需要修訂。

鈴木的團(tuán)隊(duì)比較了微透鏡發(fā)現(xiàn)的行星恒星質(zhì)量比分布與核心吸積理論預(yù)測的分布。

他們發(fā)現(xiàn)，核心吸積理論的失控氣體吸積過程預(yù)測，與微透鏡結(jié)果相比，OGLE-2012-BLG-0950Lb中等質(zhì)量巨行星的數(shù)量減少了約10倍。

這種差異意味著天然氣巨頭的形成可能涉及現(xiàn)有核心吸積模型忽略的過程，或者行星形成環(huán)境隨主星質(zhì)量的變化而變化很大。

下一步

這一發(fā)現(xiàn)不僅質(zhì)疑了一個(gè)既定的理論，而是利用一種新技術(shù)制造的，這項(xiàng)技術(shù)將成為美國宇航局下一次大行星發(fā)現(xiàn)任務(wù)的重要組成部分 - 廣角紅外探測望遠(yuǎn)鏡(WFIRST)，計(jì)劃推出在20世紀(jì)20年代中期進(jìn)入軌道。

“這正是WFIRST將用它來測量它通過其系外行星微透鏡測量發(fā)現(xiàn)的行星質(zhì)量的方法。在WFIRST上線之前，我們需要通過我們的Keck Key戰(zhàn)略任務(wù)支持(KSMS)計(jì)劃的觀察來開發(fā)這種方法以及哈勃的觀察，“貝內(nèi)特說。

凱克天文臺(tái)首席科學(xué)家約翰·歐米拉說：“看到凱克和哈勃結(jié)合力量提供這一令人驚訝的新結(jié)果，真是令人興奮。”“同樣令人興奮的是，我們今天可以取得這些進(jìn)步，以幫助推動(dòng)WFIRST和Keck未來合作的最佳科學(xué)。”

NASA Keck KSMS計(jì)劃將繼續(xù)對(duì)望遠(yuǎn)鏡在地面和太空中探測到的微透鏡事件進(jìn)行后續(xù)觀測。