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    作者:東蘇勃等 來源:PNAS 發布時間:2018/2/6 18:22:03
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    我國天文學家利用LAMOST望遠鏡發現新系外行星族群

     

    近日,北京大學科維理天文與天體物理研究所東蘇勃研究員和南京大學天文與空間學院謝基偉副教授領導的科研團,隊利用國家天文臺郭守敬望遠鏡(LAMOST)觀測數據發現了一類新的太陽系外行星族群—熱海星(Hoptunes)。相關研究論文于2018年1月9日在《美國科學院院刊》(PNAS)發表,、并被選為當期雜志封面的研究亮點文章之一。研究團隊還包括南京大學周濟林教授,猶他大學鄭政教授及國家天文臺羅阿理研究員。

    “富貴”而“孤獨”的熱木星

    自從1995年第一顆系外行星飛馬座51 b發現以來,對太陽系外行星(簡稱系外行星)的探索一直是國際上一個重要的熱點前沿方向。飛馬座51 b的發現是天文學史上的一個里程碑,開辟了人類視野,揭示了一類非常特殊的系外行星族群的存在。這類行星被稱作熱木星,它們大小與太陽系中的木星相當,但表面溫度很高,因為它們距離宿主恒星非常近(不到地球與太陽距離的十分之一,而木星距太陽是日地距離的五倍多)。之后二十多年來,人們發現了上百個熱木星并對它們進行了大量的研究,但是其形成和起源卻仍然是一個謎。

    在已發現的上千個系外行星中,熱木星族群有些重要特征。首先,熱木星比較稀少,大概每100顆恒星周圍才有1顆熱木星。再者,熱木星的宿主恒星大多數比太陽的金屬豐度要高(即富含更高比例的重于氫和氦的化學元素)。另外,熱木星比較“孤獨”,它們的附近一般很少發現其他的行星。用一句形象的話來概括,熱木星是一類稀有的、來自“富裕”家庭的“獨生子女”。這些是熱木星的標志性特征,蘊含著其形成和起源的重要線索。

    LAMOST星海弄潮

    那么是否存在與熱木星具有類似關鍵特征的其他行星族群呢?這個問題的答案無疑會為解開熱木星起源之謎帶來全新的線索。

    在過去幾年,美國國家航空航天局(NASA)的開普勒(Kepler)衛星通過凌星法尋找系外行星取得了巨大的成功,探測到了幾千顆系外行星,為解決熱木星起源之謎帶來了契機。 研究這個問題的關鍵一步是確定這些行星系統的基本性質,如行星的半徑和宿主恒星的金屬豐度等,而這些屬性的測定則需要對恒星進行光譜觀測。由于開普勒衛星搜尋的目標多達二十萬顆恒星,需要光譜獲取率極高的觀測,絕大多數望遠鏡難以勝任,只能望洋興嘆。

    郭守敬望遠鏡(LAMOST)采用獨特的創新設計,能在大視場中同時觀測數千個天體的光譜,是世界上光譜獲取能力最高的望遠鏡。這使得LAMOST望遠鏡在系外行星科學的研究中獨樹一幟。近幾年來,LAMOST在開普勒天區觀測了數萬顆恒星(其中包括上千顆行星的宿主恒星),得到了它們的光譜。通過與其他高精度方法(如星震學和高分辨率光譜)的比較論證,研究團隊發現LAMOST光譜對恒星基本屬性的測量結果非??煽?,達到相當高的精度。高精度的LAMOST恒星數據可以帶來對包括行星半徑等關鍵屬性的高精度測量,使得對成百上千的系外行星進行準確分類和系統研究成為可能。

    行星家族新成員熱海星——熱木星的表弟表妹

    利用LAMOST的精確恒星參數,研究團隊研究了不同金屬豐度情況下行星的軌道周期和行星半徑的分布。他們發現,在金屬豐度低的情況下([Fe/H]<-0.1),幾乎所有的行星都分布在半徑-周期圖中的右下區域。隨著金屬豐度的增加,其他區域逐漸出現行星;在這些新出現的行星中就有來自“富裕”家庭的“獨生子女”——熱木星(如圖3中綠線以上區域,即行星半徑大于10倍地球半徑)。除此之外,他們還驚奇地發現隨著金屬豐度的升高,在圖3粉色框中也出現了些其他的行星。這些行星幾乎和熱木星“相伴”出現,而且與熱木星一樣也大多為“孤獨”的單凌星系統。研究團隊稱這類新的行星族為熱海星(Hoptune)。熱海星的平均大小與海王星類似,約4倍地球半徑,但其大小的分布卻比較廣泛,小至2倍地球半徑,大到6倍地球半徑。它們的物理結構是否都與太陽系的海王星一致尚不明確,故不稱之為熱海王星(hot Neptune)。

    通過分析LAMOST望遠鏡的數據,研究團隊終于給“出身富貴”和“孤獨”的熱木星找到了和它們一樣“富貴”和“孤獨”的表弟表妹——熱海星。與熱木星類似,也只有大約1%的恒星附近存在熱海星。將來通過對含熱海星的恒星系統進行高精度視向速度觀測,我們可以測量熱海星的質量,從而進一步研究它們的結構和組成。

    二十年來,人們對熱木星的形成和演化機制提出了多種理論,但是熱木星的起源仍未有定論。研究團隊基于LAMOST望遠鏡數據新發現的行星族群熱海星與熱木星有著幾個同樣的標志特征, 這為揭開熱木星和其他短周期行星起源這個重大謎題提供了關鍵的新線索和嶄新的研究方向。

    該工作得到國家自然科學基金、中科院LAMOST杰出學者、以及全國優秀博士論文專項基金等的資助。(來源:中科院國家天文臺)

     
     
     
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