科学家们用NASA开普勒太空望远镜(NASA's Kepler Space Telescope)发现了TRAPPIST-1系统中行星轨道的规律,这证实了过去对其最边缘、最不了解的TRAPPIST-1h行星轨道的猜想细节。


TRAPPIST-1只有我们太阳质量的百分之八,导致它是颗温度更低且更黯淡的恒星。它被七颗地球大小的行星围绕,其中三颗的轨道处于该恒星的宜居带——在这段与恒星的距离内液态水能够在岩石行星的表面汇聚。此系统位于水瓶座,距离我们大约40光年,年龄估计在30亿到80亿年之间。


在2月22日NASA的新闻发布会上,科学家们宣布该星系中有7个地球大小的行星。为了检测并找出这些行星的特征,NASA斯皮策太空望远镜(NASA's Spitzer Space Telescope),智利的TRAPPIST(Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope的简称)望远镜及其他地面望远镜都投入了研究。但这些望远镜的合作也仅估测了TRAPPIST-1h的运动周期。


华盛顿大学的天文学家们已经用开普勒望远镜的数据证实了TRAPPIST-1h每19天绕它的恒星一圈。在距离那颗寒冷的矮星六百万英里(约9.66百万公里)处,TRAPPIST-1h位于宜居带之外,对我们已知的生命体来说它有可能太冷了。行星h的每单位面积从恒星那收到的能量大约和谷神星从太阳那接受的能量相当,而谷神星是一颗位于火星木星间小行星带的矮行星。


“能从其他角度来了解这个行星系统是令人非常兴奋的事,尤其是行星h,在这之前我们了解它的信息很少。”总部华盛顿NASA科学任务委员会(NASA’s Science Mission Directorate)的副主管Thomas Zurbuchen说。“此项发现是个很好的例子,证明了科学界正在使用不同研究的互补数据来成就这样迷人的发现。”


“TRAPPIST-1h和我们团队预想的一样,这让我很高兴。我也曾担心了一会,因为我们正好看到了我们想看见的。到头来,在这个领域,事情往往不完全是人们所期待的那样。”在杂志《自然-天文学》上刊登过文章的作者,同时也是华盛顿大学博士生的Rodrigo Luger说,“通常大自然每次变化都出乎人们意料,但在这项研究里,理论和观测完美地契合。”


轨道共振——天体间的谐振


此团队使用先前斯皮策望远镜的数据,发现最接近中心的六颗行星绕恒星的运转频率之间存在一个数学规律。这个复杂但又可预测的规律被称作轨道共振,通常存在于行星围绕恒星运转时,它们之间互相受到周期性引力作用中。


为了理解共振的概念,木星的卫星Io, Europa 和 Ganymede可以作为参考,其中Ganymede是三颗卫星中离木星最远的一颗。Ganymede绕木星一圈所用的时间够Europa转两圈,够Io转四圈。人们认为这个1:2:4的共振是固定的,如果一颗卫星脱离了轨道,它会自我纠正并锁定成一个稳定的轨道。TRAPPIST-1中的7个兄弟姐妹就是用这样的共振影响来维持系统的稳定。


这种联系,Luger说,表明科学家甚至可以在用开普勒望远镜进行观测之前,通过研究行星h相邻行星的轨道速度来预测它的通过研究轨道速度及周期。该团队已经算出了6个可能的不会扰乱系统稳定的共振周期,但只有一个没有被额外数据排查。其他五个可能性由斯皮策望远镜观测而得,地面的数据则由TRAPPIST团队采集。


“所有的这些,” Luger说,“指明了轨道间的关联早在行星形成过程中,也就是TRAPPIST-1星系的发展早期就被制定好了。”


“共振的结构不是巧合,并且它指向了一个有趣的动态历史:行星有可能以固定速度向内部移动。”Luger说,“对于行星形成与迁移理论的研究来说,这个星系是个很棒的实验室。”



上方动画模拟了在90个地球日里,TRAPPIST-1星系中行星的轨迹。15个地球日之后,动画就专注于最外面的三颗行星:TRAPPIST-1f,TRAPPIST-1g和TRAPPIST-1h。每当两颗相邻的行星经过对方时,动画静止且有一个箭头指向第三颗行星的位置。这个复杂却又可预测的规律被称作轨道共振,通常存在于行星围绕恒星运转时,它们之间的一个规律且周期性的重力作用中。这三颗最外层的三颗行星之间的共振导致它们重复相同的相对位置,而这种共振被用来预测TRAPPIST-1h的轨道周期。

来源:Daniel Fabrycky/芝加哥大学


世界性实时合作


开普勒望远镜在2016年12月15日到今年3月4日期间紧盯着TRAPPIST-1星系的那片天空,捕捉了因行星通行导致的该恒星亮度的微小变化并收集了数据,作为它第二个任务(K2)的一部分。3月8日,这些未校准且未经加工的数据被发布至科学界,以进行后续研究。


确认TRAPPIST-1h轨道周期的工作迅速展开,全球各地的科学家通过社交媒体实时分享有关该恒星的动态及其行星的最新信息。在数据发布的两小时内,该团队确认了他们所预估的轨道周期,即19天。


“从数据中得出结果一直是令人兴奋的,但一群来自世界各地的科学家在一起合作并且在社交媒体近实时地分享他们的进程是个很罕见的事,他们分析了数据,还辨认出了TRAPPIST-1h在恒星前经过。”Jessie Dotson说,她是在加州硅谷NASA埃姆斯研究中心(NASA's Ames Research Center in California's Silicon Valley)工作的K2项目科学家,“将数据投入使用所带来的创造力和便利已成为K2以社会为中心的方法特别令人振奋的一点。”


TRAPPIST-1星系中七颗行星间的连锁共振已成为了所有已知行星系统中的一个纪录,之前的纪录保持者是Kepler-80和Kepler-223星系,它们各有四个颗共振行星。


TRAPPIST-1星系是在2016年被TRAPPIST合作团队首次发现的,当时人们认为它只有三颗行星。其他的行星则是被斯皮策望远镜及地面望远镜发现的。NASA哈勃望远镜进行了后续的大气观测,詹姆斯韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)会更详细地探测潜在大气。


埃姆斯研究中心负责为NASA科学任务委员会管理开普勒望远镜以及K2任务。加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室(NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California)负责管理开普勒任务的进展。在博尔德科罗拉多大学的大气和太空物理实验室(Laboratory for Atmospheric and Space Physics at the University of Colorado in Boulder)的帮助下,由波尔航天技术公司(Ball Aerospace & Technologies Corp.)操作飞行系统。


编辑:Michele Johnson 翻译:Cindy 核对:汪慧 审核:杨乃漳

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作者:佚名
来源:NASA中文