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流氓世界将行星的想法抛出轨道

2023-11-27 13:59阅读:

流氓世界将行星的想法抛出轨道

科学家们最近已经发现了多个蔑视分类的自由漂浮的世界。新的观测已经迫使他们来重新思考他们的恒星和行星形成的理论。

ASTROPHYSICS
流氓世界将行星的想法抛出轨道

宇宙是充满令人费解的天体例如成对出现的无恒星世界。这些世界是像行星一样形成的吗?还是它们更像是微小的失败的恒星呢?天文学家不确定。Kouzou Sakai for Quanta Magazine
ByCharlie Wood
Staff Writer
November 13, 2023
当帕多瓦大学的数学家伽利略·伽利莱(Galileo Galilei)在天空上训练了他自己创造的窥视望远镜时他被他所看到的压倒------猎户座中的500多颗新星,此外三颗在猎人腰带中的新星和在剑中的六颗新星。
10月,天文学家用詹姆斯韦伯太空望远镜放大在剑中的一颗中间恒星并识别了另外500个左右以前看不见的斑点。这些世界是如此渺小和暗淡以至于它们模糊恒星和行星之间的界限。这是一种困扰着伽利略的模棱两可,他在他的1610年的天文学论文中指木星的卫星为既是“恒星”又是“行星”,至今仍困扰着天文学家。
欧洲航天局的天文学家塞缪尔·皮尔森说,“当我们观察太阳系时一切都很好和整齐的。你得到太阳,你得到行星,在中间什么都没有”。皮尔森说,但 “当你实际上去并看时,你意识到有一个基本上在每个质量之间的天体的全谱”。
詹姆斯韦伯太空望远镜的观测支持一个日益的占据巨行星和微小恒星之间的灰色地带的孤立天体的目录。有时这些孤独的世界叫“自由漂浮的”或“流氓”行星,自由的漂移过太空。虽然天文学家能估计这些黑暗的木星质量气体球的质量,但它们的起源仍然神秘的。它们实际上是行星吗------从前环绕恒星但不知怎的被吐出的“木星”?还是它们更像是失败来点火的微恒星呢?
詹姆斯韦伯太空望远镜的观测非但没有回答这个问题而是增加了这个秘密:望远镜的红外眼发现了似乎数十个成对环绕彼此的世界------一个令人费解的安排,如果被证实将蔑视意料。
流氓世界将行星的想法抛出轨道

詹姆斯·韦伯太空望远镜成像的猎户座星云图像揭示一个混沌、尘埃的地方,发动出新生的恒星和行星。NASA, ESA, CSA / Science leads and image processing: M. McCaughrean, S. Pearson, CC BY-SA 3.0 IGO
荷兰莱顿天文台(Leiden Observatory)研究行星形成的研究员倪恩科范德马烈尔说,“我们正在缺失某些东西,我们不知道它是什么”
这些不可能的二人组不能被容易的被任何已知的要么恒星要么自由漂浮行星的形成理论解释。但在詹姆斯韦伯太空望远镜宣布后的一周内,研究人员发表了一个大胆的描述巨型行星怎样被成对从它们的家系统中甩出的新想法------一个大多数研究人员已经认为只是不可能的事件。该提案是否能够完全解释整个昏暗、无恒星世界的动物园还有待观察。但研究人员预计一个自由漂浮的世界以及创造它们的恒星系统的被精炼的理解就在手中。
乔治梅森大学(George Mason University)的天体物理学家彼得·普拉夫坎(Peter Plavchan)说,“如果(这一发现)真的被证实,那将真是开创性的”,他没有参与探测木星的对。
黑暗世界无处不在
自由漂浮的世界逃避了天文学家的注意几个世纪,因为它们是极端的黑暗。为聚变氢和明亮的照耀,恒星需要至少是木星的80倍的质量。流氓世界是远更轻的,通常被定义为重量小于 13 个木星。(任何13个和80个木星之间的行星都能聚变一个更重的氢变体并被归类为一颗褐矮星,或者天文学家有时浪漫的叫“失败的恒星”)。

事实上,自由漫游的行星的相对不可见性从前促使一些天体物理学家来好奇是否有足够的这些天体来解释暗物质------出现来一起把持星系的未识别的质量大块。这个问题机动了天文学家在1990年代来搜索这些世界的迹象,他们通过寻找其中它们的引力会扭曲已经在它们前面经过的恒星外观的微妙方式做了这个。这些“微透镜”调查的间接性质并不很好适合识别单个自由漂浮的天体,但它们表明了在那里没有足够的凡是来构成暗物质的。
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流氓世界的第一张图像在 2000 年代来到了,当时天文学家发现一些天体仍然在来自它们的形成热的红外光中辉光。基于这些观测,一个可能的起源浮现了。2010年,包括法国波尔多大学的肖恩·雷蒙德(Sean Raymond)在内的天体物理学家仿真了行星系统的演化并发现当一颗气态巨行星从它们的家系统中凌空踢一个兄弟姐妹有时会发生,驱逐将幸存者的轨道拉伸成一个椭圆。天文学家已经看到了这些倾斜的轨道,雷蒙德的团队和其他研究人员将这解释为过去行星际创伤的疤痕。
等等,为什么有这么多微弱的成对的东西?Samuel Pearson, European Space Agency
第一个自由漂浮的世界的实在的目录不是来自行星猎人,而是来自搜索比褐矮星重量甚至更轻的恒星一样天体的恒星猎人。维也纳大学的努里亚·米雷特·罗伊格(Núria Miret Roig)和波尔多大学的埃尔韦·布伊(Hervé Bouy)正在寻找天蝎座中最矮小的褐矮星,天蝎座宿主一个发动出许多恒星和行星的气态星云。在80000张图像中超过2600万个红外光针刺中,他们在20年的观察中搜索了跨他们的视野移动的昏暗发光天体。2021 年,他们宣布他们在 4 13 个木星质量之间已经发现了大约 100 个候选天体------将已知流氓世界的数量增加了约 5 倍。
有不止要分析的少数自由漂浮的天体,研究人员然后可以开始询问有关这些世界已经来自哪里的基本问题。一种可能性是它们已经从一个围绕新生恒星的圆盘一样碎屑中凝聚,就像行星做的一样。然后,与一个邻居的机会遭遇已经将它们甩出,以雷蒙德2010年的仿真一样的方式。
第二种可能性是它们已经单独形成了,当时一个孤立的氢和氦云变得足够密集来坍塌成一个球。这是恒星怎样被诞生的,这将使这些世界更不像行星,而更像星系中最小的褐矮星。

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努里亚·米雷特·罗伊格(Núria Miret Roig)在天蝎座寻找微小亨星,发现了大约100个自由漂浮的世界,这些世界不能被整齐的定义为要么恒星要么行星。Courtesy of Núria Miret Roig
米雷特·罗伊格(Miret Roig)和布伊(Bouy)得出结论,他们的候选者可能包含以两种方式形成的世界。最轻的天体可能是被凌空踢的行星,尽管天文学家已经发现了太多的它们,仅用行星甩射模型不能来轻松解释。
米雷特·罗伊格说,“有许多自由漂浮的行星,它们可能的被不同的机制形成”。
这两种起源的混合似乎是可能的。但100个自由漂浮的世界有多少是行星有多少是恒星一样的,研究人员不能说。
在米雷特·罗伊格和布伊公布他们结果的三天后,詹姆斯韦伯太空望远镜发射了,同时对自由漂浮行星狩猎有一个新时代。
木星的滴落
天文学家已经怀疑詹姆斯韦伯太空望远镜将是一个自由漂浮的行星的寻找机器。它远远超出地球大气层的干扰的浑浊。它的巨型镜子给它对宇宙的精细特征比它的前身哈勃太空望远镜更敏感性。它拾取红外光,这使它对发现昏暗辉光的世界完美的。
皮尔逊与欧空局天文学家马克·麦考里恩(Mark McCaughrean)合作来比以前已经是的更深入寻找自由漂浮的世界。他们被恒星的形成和行星的形成着迷,并要在两者之间的“混沌灰色区域”中瞄准天体比如褐矮星。皮尔森说在那里 “你得到了两个世界的交叉”。2022 10 月,皮尔逊和麦考里恩将太空望远镜转向猎户座腰带上挂着的剑中的一颗中心恒星。持续 35 小时。

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詹姆斯韦伯太空望远镜观测了猎户座星云35小时,发现了42对彼此环绕的流氓世界。这里显示了其中的五个对。Merrill Sherman/Quanta Magazine; source: Mark McCaughrean and Sam Pearson / NASA, ESA, CSA
皮尔逊花了几个月的时间来逐个像素对齐了猎户座星云的12500张詹姆斯韦伯太空望远镜图像。这项可怕的任务被望远镜的精致灵敏度挫败:许多典型的用作地标的微弱天体盲目了詹姆斯韦伯太空望远镜的超灵敏眼睛。
他说,“通常很难来看的褐矮星正在消灭掉探测器的点点”。这“不只是我从来已经在任何其他望远镜上遭遇的一个问题。
在完成宇宙马赛克后,皮尔逊被回报有他寻找的大量神秘世界的一个丰富:500多个几个木星质量的自由漂浮的天体点缀了猎户座星云。但真正令人惊讶的是,当他仔细观察时他看到了某些最初没有多大意义的东西。一些光点是成对的木星质量天体。他总共数了42对涡旋的木星------这是一个惊人的数字。
皮尔森好奇的回忆说,“等等,为什么会有这么多成对的微弱东西?然后一分钱掉了,我们意识到我们应该非常仔细地观察这个问题”。
从理论的角度来看,这些对搭档似乎几乎是不可能的。它们不太可能是被凌空踢的行星,当一颗行星将另一颗行星踢出一个恒星系统时被甩射的行星几乎总是独自飞走。但它们也不可能是恒星,因为它们中的许多重量只有一颗木星------这个质量太轻了不可能直接由坍塌的气体云形成。该团队将他们的神秘二人组标榜为木星质量双天体或简称JUMBOs,并在102发布的预印本中描述了它们。
这毕竟已经没有被预测到。在那里没有现存的理论会让我们期望以这些数字的宽阔的、自由漂浮的行星天体。Matthew Bate, University of Exeter
木星质量双天体让恒星和行星形成中的专家措手不及。埃克塞特大学专门研究恒星形成的天体物理学家马谢贝特说,“毕竟这已经没有被预测到。没有现有的理论会让我们期望以这些数字这些宽阔的,自由漂浮的行星天体”。
天文学家此前已经观察到,尽管许多大质量恒星与伙伴穿过太空旋转,但耦合掉的恒星的百分比随它们的质量下降。范德马雷尔说,“我们通常预计趋势会继续下去”。因此,她说,成对的木星质量天体的百分比“应该为零”。跃升至10%还没有在任何人的詹姆斯韦伯太空望远镜宾果卡上
问题是至少有一些巨型可能是海市蜃楼。一个天体位于尘埃的环境中越深(猎户座星云是极端尘埃的),就越难来将它从一个星云后面的一颗遥远的、质量更大的恒星区分开来,而星云后面的恒星会被期望有一个伙伴。在之前的研究中,20%80%看起来像自由漂浮的世界原来是香草恒星。米雷特·罗伊格说,“目前需要谨慎一点”。
在春天,皮尔逊和麦考里恩将用詹姆斯韦伯太空望远镜再次观察他们的一批自由漂浮的世界,这次是一个更丰富的彩色光谱。这些后续观测将帮助确认通过在它们的大气层中寻找甲烷或水的痕迹证实那个木星质量双天体是真实的,一个木星质量世界的告密签名。
皮尔森说,“一旦你有了光谱,基本上就没有地方可以躲藏了”。

加速的仿真

甚至不用证实,理论家们也已经在竞相来解释这些令人困惑的世界。
石溪大学的天体物理学家罗莎芭·佩尔纳(Rosalba Perna)在她甚至阅读皮尔森的论文之前就从新闻中已经听说了猎户座的木星质量双天体。内华达大学拉斯维加斯分校的皮尔那和王一涵一直在研究当一颗恒星飞过另一个太阳系时发生什么。他们已经主要集中在仿真有一个单个巨行星的系统上。但是木星质量双天体让佩尔纳好奇:如果有两颗巨大的行星会怎样呢?她打电话给王让他看看如果他把第二个木星塞进仿真中会发生什么。

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王建立了他的来从各个角度向无数双木星恒星系统疾驰数字恒星的计划。他还设置了如果“入侵者”恒星将两颗行星一起倾斜送入太空会通知他的软件------这创造一个木星质量双天体。然后,他把代码发送到他大学的一个计算集群,然后去吃午饭。
当王回到他的办公室并检查他的电脑时他发现了一个警报列表,上面写着“双行星形成了!!
从数百亿次的仿真中,研究小组看到了如果当这颗恒星碰巧一起是相当近时当抢劫的恒星扫过时木星的启动对是相对容易的。这对轨道间隔紧密的邻居(想想天王星和海王星)尤其经常发生。在这种案例中,100次甩射中多达20次产生了木星质量双天体(其他80次产生了单颗行星)------足以来解释皮尔逊在猎户座已经看到的10%的比率。但对于轨道距离更远的行星(想想木星-海王星)几乎所有的甩射都造成了孤行星。
在王的同事朱兆焕的协助下,该小组昼夜不停地工作(有一次是在飞往欧洲的航班上)。三人写下了他们的结果并在109日发布了预印本,即木星质量双天体发现一周后。
皮尔森说,“他们写得这么快有点惊人”。
其他理论天体物理学家尚未完全消化这些新结果,但他们发现这些结果是合理的而且令人惊讶。雷蒙德说“从一个甩射的角度来看,我不认为[制造一对自由漂浮的行星]是可能的,但然后这篇论文出来了”

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当塞缪尔·皮尔森(右)和马克·麦考里恩将詹姆斯韦伯太空望远镜对准猎户座星云时,他们惊讶地看到

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