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[原创]寻找外星世界的全新方法

原理  · 公众号  · 科学  · 2020-02-20 20:34

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Io(木卫一)是四颗伽利略卫星中离木星最近的一颗。那里是一个有着剧烈火山活动的世界,火山喷发流出的熔岩可以绵延至60多公里之外,产生的气体和尘埃羽状物会从星球表面高高升起。


○ 木卫一Io是个火山频发的世界。| 图片来源:NASA/JPL/University of Arizona/DLR

Io的火山喷发会喷出带有密集带电粒子的气体,当Io绕着木星旋转时,这些带电气体会像拨动吉他弦那样,划过木星的磁场线。这些拨动所产生的波会穿过磁场线,进入木星,然后在那里发射出大量的射电辐射。这些射电辐射会随着Io绕着木星的旋转出现又消失。


○ 从Io喷发而出的带电粒子会与木星的磁场相互作用,从而制造出美轮美奂的极光。| 图片来源:NASA/Hubble Heritage Team/ESA/John Clarke


受此启发,天文学家一直怀疑相似的过程可能也发生在太阳系之外,他们预测恒星与行星间的相互作用也会产生射电辐射。在一篇刚发表于《自然天文》的论文中,研究人员认为他们第一次观测到了拨动恒星磁场线的行星。这一发现为探测和研究系外行星系统,以及它们周围的环境提供了一种新颖而独特的方法。


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天文学家分析了通过散布在欧洲各地的约20000个小型射电天线组成的低频阵(LOFAR)所绘制的天空地图。近十年来,LOFAR一直在扫描天空,它已经积累了足够的数据可以看见那些非常昏暗的天体。


研究人员绘制了由LOFAR探测到的所有射电辐射,然后将这张图与盖亚(Gaia)太空望远镜拍摄的一张银河系中的恒星的图重叠。这么做的目的是为了筛选出那些来自恒星的射电源,过滤掉来自遥远天体的,比如星系。


最后,他们发现了GJ 1151,这是一颗低质量的红矮星(M矮星)。红矮星是银河系中最常见的恒星类型,它们比太阳小得多、温度也低得多,但却有着强大的磁场,因此围绕着它们的宜居行星会暴露在极强的磁场下。许多红矮星旋转得非常快,几个小时就可以自转一圈。这种旋转会产生耀发。


GJ 1151却是一颗相对安静的恒星,不像其它那些那么容易爆发。有意思的是,在研究人员对GJ 1151的四次观测中,只观察到了一次明亮的射电辐射,而且至少持续了8个小时,如此长时间的耀发不可能来自恒星的内部。


这种射电耀发还有一个奇怪的性质,那就是它所放出的光似乎是由那些作圆周运动的电子产生的,这有别于一般会出现在耀发中的情况。但如果说这样的耀发源自于被行星喷发而出的带电粒子通过了该恒星的磁场,那一切就说的通了。


因此研究人员认为,这种强射电辐射是来自一个隐藏着的地球大小的行星。


○ 红矮星的磁场与绕其旋转的行星间的相互作用。| 图片来源:Danielle Futselaar


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有几种方法或许可以证实耀发确实来自一颗系外行星。例如研究人员可以继续监测GJ 1151的射电波,如果他们发现耀发有规律地发生三到四次——也许每公转一次就会发生一次——那将可被视作为“黄金标准”。


或者他们可以使用现有的行星搜寻方法,尽管每种方法都有其局限性:径向速度法观察行星对其母星的引力牵引,但这种方法最适用于木星大小的大型行星;凌日法观察的是当一颗行星从恒星和地球之间经过时,恒星的光线是否下降,在这种情况下,行星和恒星必须与我们的视线直接对齐,但只有不到1%的行星会完美的对齐。

到目前为止,要从这些技术中得到证实还是很困难的。在一篇发表于《天体物理学报通信》的相关论文中,研究人员报告了他们用径向速度法,在加纳利群岛用专门的行星搜寻仪器进行搜索,但没有在GJ 1151附近找到任何行星。这一结果表明,如果有这样的行星存在,其质量必须小于地球的5倍。


另一个寻找行星的项目是CARMENES,它已经研究了300多颗红矮星,其中也包括GJ 1151。CARMENES是一个对小行星有着更高灵敏性的计划,但目前其巡天任务还没有完成。研究人员说,即使CARMENES没有发现GJ 1151附近的行星,那也只是降低了它可能的质量上限。


这些技术的局限性正好说明了为什么一个全新的寻找系外行星的方法将会受到热烈欢迎。类地行星围绕在红矮星周围要比在气态巨行星周围常见得多,这意味着LOFAR可能会发现更多的行星与恒星间的相互作用。


研究人员估计,LOFAR能发现的额外行星数量数将会在数十到数百颗之间。未来,由遍布世界的数千个射电望远镜组成的平方千米阵(SKA)会具有更低的探测频率,从而发现更多的行星。


参考来源:
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1025-3
https://www.quantamagazine.org/new-exoplanet-search-strategy-claims-first-discovery-20200218/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-02/nyu-spn021520.php
https://carmenes.caha.es/ext/instrument/index.html
https://www.nature.com/articles/s41550-020-1011-9



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