重金属系外行星被发现绕附近恒星运行

GJ 367b 的密度接近纯铁,可能是蒸发巨行星富含金属的内核残余

An illustration showing a red dwarf star orbited by a hypothetical exoplanet.

插图展示了一颗红矮星被一颗假想的系外行星环绕。

五千个已知的世界。这是正在进行的系外行星搜寻的下一个最受瞩目的里程碑,已确认的总数目前统计在我们目录中仅差几百个。然而,比这些纯粹的数字更引人注目的是它们揭示的多样性。天文学家丰富的宝藏中,有一小部分世界类似于绕太阳运行的世界,但大多数都更加奇异:炽热的气态巨行星每隔几天绕其恒星运行一次,海王星大小的蓬松球密度像棉花糖一样,还有成群的小行星像沙丁鱼一样挤在微小、凉爽的恒星周围。与这些事物相比,我们自己熟悉的、据说是典型的太阳系反而显得格格不入。

最新的奇异系外行星挑战了我们的先入之见,并再次强调了我们还有多少东西需要发现,那就是 GJ 367b,这个世界如此奇异,似乎更适合重金属专辑封面或通俗科幻故事的页面,而不是现实。12 月 2 日在《科学》杂志上宣布,这颗行星本质上可能是一个发光的半熔化铁球,大小是地球的四分之三。

GJ 367b 由德国航空航天中心 (DLR) 的克里斯汀·拉姆及其同事使用 NASA 的凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 发现,是一颗奇特的“亚地球”世界,位置相对较近,围绕一颗距离我们 31 光年的小型红矮星运行。TESS 的测量结果显示,这颗行星宽 9,000 公里,比火星宽约三分之一,随后使用另一个设施,即欧洲南方天文台的高精度径向速度行星搜索器 (HARPS) 进行的观测表明,它的质量仅为地球的一半。综合来看,这些结果暗示了一个惊人的密度——每立方厘米约八克,接近纯铁的密度。“这颗行星很可能半径约 80% 是铁,”拉姆说,行星的其余部分被岩石硅酸盐地幔包裹,结构与我们太阳系中的水星相似。


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但与水星不同,水星在 88 天的轨道上绕太阳 5800 万公里运行,GJ 367b 离它的恒星要近得多,仅在 7.7 小时内完成一次轨道运行,距离仅为 100 万公里。这意味着行星沐浴在星光下的表面温度可能高达 1,500 摄氏度,足以熔化岩石和金属。“住在上面可能不太愉快,”拉姆说。

先前已发现约 100 颗所谓的超短周期岩石系外行星,但 GJ 367b 在其中脱颖而出,成为有史以来观测到的最小和质量最小的行星。它靠近恒星意味着它很可能受到引力效应的潮汐锁定,这意味着它始终将相同的半球朝向恒星,就像月球对地球一样。巨大的白天温度可能意味着这颗行星的一半被岩浆海洋覆盖。“在这些温度下,您期望您的硅酸盐处于液相,”法国艾克斯-马赛大学的亚历山大·桑特恩说,他没有参与这项工作,但之前发现了另一颗类似水星的系外行星。“它会像一个大岩浆池。”与此同时,行星的夜晚侧温度会大大降低,这意味着它“应该是固体岩石,”桑特恩说。在昼夜之间的终结线上,您会期望“非常凉爽的岩石和岩浆之间存在一些过渡,”他说。如果这颗行星有任何类似大气层的迹象,这种差异可能会导致狂风暴雨,但大多数专家认为,GJ 367b 极端的恒星距离早已使其变得没有空气。

这颗行星如何达到其令人沮丧的状态有点神秘,这可能对我们自己的太阳系具有重要的启示。导致 GJ 367b 被潮汐锁定的相同引力力应该早已扰乱了行星最初的形成过程;人们认为行星不会在离恒星非常近的地方形成。相反,它们可能从更远的地方向内迁移——这个过程有时会导致壮观的行星际碰撞,当世界真正碰撞时。类似的巨型撞击可能塑造了我们自己的水星,水星可能曾经在结构上更像地球。“最好的解释,但不是一个好故事,是某个物体撞击了水星,并留下了一个主要是铁的物体,”普林斯顿大学的约书亚·温恩说,他是 GJ 367b 发现论文的合著者。但他补充说,这种假设“有点令人不安,因为它调用了这次碰撞,而我们没有其他证据。”“如果我们弄清楚为什么存在这些富含铁的超短周期行星,也许会与水星的故事有关联。”

一种可能性是,超短周期岩石世界(如 GJ 367b)并非灾难性碰撞的结果,而可能是恒星效应烹饪掉迁移巨行星的气态包层后留下的残余铁核。天文学家不断扩展的系外行星普查已经发现了巨大的“热木星”以及 GJ 367b 这样的世界,它们都在非常靠近恒星的轨道上运行。然而,值得注意的是,在这些极端环境中,缺少尺寸介于两者之间的海王星类世界。原因可能是这些世界被系统中另一颗行星推向内侧,然后在接近恒星时被剥夺了氢气和氦气大气层,只留下岩石内部。“[GJ 367b] 很可能是一颗更大的行星,实际上已经被烤焦了,”拉姆的前教授、英国华威大学的唐·波拉科说,他没有参与这项研究。“你可以想象我们正在观察一颗蒸发行星的压缩核心。”

对于水星来说,考虑到它与太阳的距离相对较远,这种奇异的起源故事不太可能。但是,进一步研究水星,以及使用下一代设施(如詹姆斯·韦伯太空望远镜)对超短周期行星进行更多观测和发现,可能会使我们更接近了解这些世界是如何形成的答案。最重要的是,这项工作继续强调,在目前已知的太阳系外数千颗行星中,我们不断发现奇怪而奇妙的地方。“我们去寻找太阳系,”波拉科说。我们发现的,并将继续发现的,是与我们想象的任何事物都不同的世界。

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