系外行星的类型会发生转变吗?


一项新的分析表明,炽热的超级地球可能是被玻璃大气的热木星残存的骸骨。

大多数系外行星都与太阳系中的任何行星没有类似点。举例来说,热木星是沸腾的气体巨行星,在近于水星和太阳间距的地方环绕着它们的恒星运转。天文学家猜测,恒星与行星之间的潮汐力相互作用最终会将热木星拖向它的宿命。

更近些时候,天文学家在NASA受损的开普勒空间望远镜的大量数据存档中发现了另一类拥抱恒星的卫星。这些所谓的热超级地球是岩石或者冰态行星,质量最多可以达到地球的10倍,也在距离主星极近的地方运行着。

天文学家曾经猜测,这两类行星可能是彼此相关的。不过西北大学的弗朗西斯卡·瓦尔瑟奇(Francesca Valsecchi)及其同事现在向前又迈进了一步,说明这些古怪的行星可能是外层被剥离的热木星。

艺术家笔下处于被主星摧毁阶段早期的热木星。(图片提供:NASA / GSFC / Frank Reddy)

内在的理论相对简单,随着系外行星螺旋靠近主星,系统最终将抵达这样的状态——两个天体的洛希瓣彼此接触。

论文的合作者、西北大学的詹森·史蒂芬(Jason Steffen)解释说:“洛希极限或称洛希瓣是行星或恒星(或者一个卫星或者面包面团)周围由该天体引力占据主导的区域,也可以说是它的‘球形影响范围’。”

当双星系统中膨胀的恒星溢出洛希瓣后,会向较小较致密的伴星倾倒物质。类似地,当热木星抵达自身的洛希瓣与母星洛希瓣相遇的极限后,二者的相互作用会打开一条引力通道,将系外行星的物质转移给恒星。因此热木星不可避免地开始了抛掉气体包层的过程。

瓦尔瑟奇及其同事为数个不同的事例建立了物质转移模型。不过他们始于行星历史早期,此时热木星沐浴的并非明亮主星的辉光,而是天文学家所认为的气体巨行星形成地——行星系统寒冷的外边缘。由于恒星与行星的潮汐相互作用,行星向内朝着恒星发生了迁移。但是当行星的洛希瓣与恒星的洛希瓣相遇后,就会发生一些有趣的事情。作为对物质转移的反应,行星的轨道略略向外发生了迁移。

瓦尔瑟奇解释说,这样的轻微运动并不会阻碍行星损失全部大气。当岩石或冰态核心暴露在外之后,潮汐力再度占据了主导,让轨道再次收缩,将行星带到距离恒星足够近的地方,让恒星将其吞噬。

来自北亚利桑那大学的专家戴维·特里林(David Trilling)说:“这一理论大致合理。但唯一的证据会是间接的,因此问题在于,这一理论是否比其他相互竞争的理论更好地解释了观测证据。”

特里林与同事最早在1998年发表的一篇文章里简要提到了这一观点。但是那时人们只发现了很少几颗热木星,还没有找到热超级地球。现在我们有条件可以更好地了解行星种类之间可能的转变了。

研究小组还将他们的结果与观测作了比较,发现大多数已知的热超级地球有着与模型预言相似的轨道周期与质量。

如果这一结果经受住了检验,热木星可能要比天文学家从观测推断的常见3倍,原因是观测到的单颗超级地球数量将近是热木星的2倍。

参考文献:弗朗西斯卡·瓦尔瑟奇等人,《热木星经由洛希瓣外溢转化为超级地球》,已被《天体物理学通报》接收


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