在太陽系內, 木星是最巨大的行星, 其直徑大約是地球的11.2倍, 質量是地球的318倍。 我們知道, 地球的密度約為每立方釐米5.5克, 可以計算得出, 木星的密度是大約每立方釐米1.326克。
相比之下, 土星是太陽系內最「輕」的行星, 它的體積是地球的830倍左右, 質量卻僅有地球的95倍。 計算後可以得知, 土星的密度僅為每立方釐米0.687克, 比水還小。 如果有足夠大的海洋把整個太陽系扔進去的話, 只有土星會漂浮在水面上。
不論是木星的質量還是土星的密度, 都已經足夠驚人, 但放眼整個宇宙, 它們就顯得並不突出了。
在221光年以外, 有一顆系外行星, 成為了目前人類已知密度最小、最為蓬鬆的行星。 它的發現, 不僅從資料上震驚了我們, 甚至突破了科學家現有的理論, 令人們困惑不已。
這顆行星名為WASP-107b, 圍繞著一顆K型主序星WASP-107公轉。 K型主序星又被稱為橙矮星, 溫度、體積、質量都略低於太陽。 WASP-107的質量大約是太陽的69%, 表面溫度約為4430K, 比太陽低了許多。
但是, WASP-107b並沒有因此就比太陽系的行星冷, 因為它距離宿主恒星非常近, 接收到的輻射也多得多。 觀測結果表明, 它圍繞宿主恒星公轉一圈僅需5.7天, 是太陽系最內側行星水星公轉週期的6。
和金星不同的是, WASP-107b並非巖石行星。 它的體積非常巨大, 半徑達到了木星的94%, 可見是一顆典型的氣體巨星, 也是所謂的熱木星。 由於表面溫度過高,
正是在這樣的情況下, WASP-107b密度就變得非常低了。 科學家利用美國的凱克望遠鏡, 通過徑向速度法觀測後發現, 雖然體積和木星差不多, 但WASP-107b的質量僅有木星的10%左右。 計算後可以發現, 它的密度竟然只有每立方釐米0.13克。 也就是說, 從整體上看這顆行星, 它的密度還不如我們烤串時用的木炭的1/3!因此, 科學家又將它稱為超級泡芙行星。
普通人僅僅會震驚於這些誇張的數字, 而科學家們則會透過現象看本質, 發現其深層次的根本問題。
根據目前的研究, 木星這樣的氣體行星除了表明厚度驚人的大氣層之外, 還有一個核心區域。 以木星為例, 它的核心占了整體質量的5%-15%左右, 也就是約為地球質量的15-45倍。
考慮到WASP-107b的質量只有木星的1/10, 蒙特利爾大學的物理學家Caroline Piaulet及其團隊計算後認為, 它的固體行星核質量可能不足地球的4.6倍。 也就是說, 這顆行星85%的質量都集中在極度蓬鬆的大氣層中。
這帶來了一個巨大的問題,Piaulet說道:「密度如此之低,這樣的行星怎麼會形成呢?尤其是在它和宿主恒星如此之近的情況下,是如何維持龐大的大氣層不逃逸殆盡呢?這使得我們不得不做一個徹底的分析,以確定它的形成史。」
對於這些遙遠的氣體巨星來說,我們研究的重要方法之一就是參考太陽系內的氣體巨星,也就是木星和土星,然後進行類推分析。實際上,不僅僅是木星,密度相對較小的土星也有一個質量比地球大10倍以上的核心。因此,長期以來,科學家都認為這樣的巨大核心是氣體行星形成的必要條件,只有核心達到這麼巨大的質量,才能吸積足夠多的物質,提升自己的質量。
因此,科學家們推測,WASP-107b應該是以一種不同形式的過程形成的。而且,考慮到它目前有大量的氣體在蒸發,如果它形成的時候就面臨這樣的困境,那麼恐怕根本就不會形成。因此,我們有理由相信,它最初並不是在我們發現的地方形成的,而是形成之後才遷移到這裡的。
軌道的遷移而且,除了WASP-107b之外,這個系統中還有另外一顆行星,那就是WASP-107c。這顆行星的位置就要遠得多了,公轉週期為1088天,是地球的3倍。而且,雖然行星軌道都是橢圓,但基本都十分接近正圓,而它的公轉軌道偏心率非常大。這樣的運行模式,意味著它受到了其他天體引力的干擾,而干擾它的很可能就是WASP-107b。
加拿大麥吉爾大學的天文學家Eve Lee介紹了他們的猜想:「對於WASP-107b最合理的推測就是它形成於距離宿主恒星非常遠的地方,那裡原始星盤的氣體溫度足夠低,氣體吸積過程也會非常快。後來,這顆行星要麼通過與原始星盤的相互作用,要麼與系統中其他行星發生作用,總之它成功地遷移到了現在的位置上。」
簡單來說,WASP-107b在開始瘋狂吸積的過程中,就因為與WASP-107c之間的相互作用而進入到了靠近宿主恒星的軌道上,然後結束了吸積的過程。同時,它的核心質量可能也會在未來幫助我們確定一顆氣體巨星形成的核心質量下限,或許4。6倍地球質量甚至更小的核心,也足以促使一顆氣體巨星的形成。
加拿大蒙特利爾大學的天體物理學家Björn Benneke表示:「這項研究明確了氣體巨星如何形成及成長的一些關鍵基礎,並且為此提供了明確的證據,證明即使是比以往想像要小得多的核心,依然可以帶來巨大的氣體包層。」
接下來,研究團隊希望通過更加靈敏的觀測設備來研究這顆史上最蓬鬆的行星,這對於我們瞭解行星形成和演化至關重要。畢竟,太陽系只有八顆行星,可供研究的物件實在太少。那些遙遠的行星,成為了絕佳的觀測物件,也是我們瞭解太陽系形成乃至生命出現的關鍵。
這帶來了一個巨大的問題,Piaulet說道:「密度如此之低,這樣的行星怎麼會形成呢?尤其是在它和宿主恒星如此之近的情況下,是如何維持龐大的大氣層不逃逸殆盡呢?這使得我們不得不做一個徹底的分析,以確定它的形成史。」
對於這些遙遠的氣體巨星來說,我們研究的重要方法之一就是參考太陽系內的氣體巨星,也就是木星和土星,然後進行類推分析。實際上,不僅僅是木星,密度相對較小的土星也有一個質量比地球大10倍以上的核心。因此,長期以來,科學家都認為這樣的巨大核心是氣體行星形成的必要條件,只有核心達到這麼巨大的質量,才能吸積足夠多的物質,提升自己的質量。
因此,科學家們推測,WASP-107b應該是以一種不同形式的過程形成的。而且,考慮到它目前有大量的氣體在蒸發,如果它形成的時候就面臨這樣的困境,那麼恐怕根本就不會形成。因此,我們有理由相信,它最初並不是在我們發現的地方形成的,而是形成之後才遷移到這裡的。
軌道的遷移而且,除了WASP-107b之外,這個系統中還有另外一顆行星,那就是WASP-107c。這顆行星的位置就要遠得多了,公轉週期為1088天,是地球的3倍。而且,雖然行星軌道都是橢圓,但基本都十分接近正圓,而它的公轉軌道偏心率非常大。這樣的運行模式,意味著它受到了其他天體引力的干擾,而干擾它的很可能就是WASP-107b。
加拿大麥吉爾大學的天文學家Eve Lee介紹了他們的猜想:「對於WASP-107b最合理的推測就是它形成於距離宿主恒星非常遠的地方,那裡原始星盤的氣體溫度足夠低,氣體吸積過程也會非常快。後來,這顆行星要麼通過與原始星盤的相互作用,要麼與系統中其他行星發生作用,總之它成功地遷移到了現在的位置上。」
簡單來說,WASP-107b在開始瘋狂吸積的過程中,就因為與WASP-107c之間的相互作用而進入到了靠近宿主恒星的軌道上,然後結束了吸積的過程。同時,它的核心質量可能也會在未來幫助我們確定一顆氣體巨星形成的核心質量下限,或許4。6倍地球質量甚至更小的核心,也足以促使一顆氣體巨星的形成。
加拿大蒙特利爾大學的天體物理學家Björn Benneke表示:「這項研究明確了氣體巨星如何形成及成長的一些關鍵基礎,並且為此提供了明確的證據,證明即使是比以往想像要小得多的核心,依然可以帶來巨大的氣體包層。」
接下來,研究團隊希望通過更加靈敏的觀測設備來研究這顆史上最蓬鬆的行星,這對於我們瞭解行星形成和演化至關重要。畢竟,太陽系只有八顆行星,可供研究的物件實在太少。那些遙遠的行星,成為了絕佳的觀測物件,也是我們瞭解太陽系形成乃至生命出現的關鍵。