尋找外星世界的全新方法

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Io(木衛一)是四顆伽利略衛星中離木星最近的一顆。那裡是一個有著劇烈火山活動的世界,火山噴發流出的熔巖可以綿延至60多公裡之外,產生的氣體和塵埃羽狀物會從星球表面高高升起。

尋找外星世界的全新方法

○ 木衛一Io是個火山頻發的世界。| 圖片來源:NASA/JPL/University of Arizona/DLR

Io的火山噴發會噴出帶有密集帶電粒子的氣體,當Io繞著木星旋轉時,這些帶電氣體會像撥動吉他弦那樣,劃過木星的磁場線。這些撥動所產生的波會穿過磁場線,進入木星,然後在那裡發射出大量的射電輻射。這些射電輻射會隨著Io繞著木星的旋轉出現又消失。

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○ 從Io噴發而出的帶電粒子會與木星的磁場相互作用,從而制造出美輪美奐的極光。| 圖片來源:NASA/Hubble Heritage Team/ESA/John Clarke

受此啟發,天文學傢一直懷疑相似的過程可能也發生在太陽系之外,他們預測恒星與行星間的相互作用也會產生射電輻射。在一篇剛發表於《自然天文》的論文中,研究人員認為他們第一次觀測到瞭撥動恒星磁場線的行星。這一發現為探測和研究系外行星系統,以及它們周圍的環境提供瞭一種新穎而獨特的方法。

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天文學傢分析瞭通過散佈在歐洲各地的約20000個小型射電天線組成的低頻陣(LOFAR)所繪制的天空地圖。近十年來,LOFAR一直在掃描天空,它已經積累瞭足夠的數據可以看見那些非常昏暗的天體。

研究人員繪制瞭由LOFAR探測到的所有射電輻射,然後將這張圖與蓋亞(Gaia)太空望遠鏡拍攝的一張銀河系中的恒星的圖重疊。這麼做的目的是為瞭篩選出那些來自恒星的射電源,過濾掉來自遙遠天體的,比如星系。

最後,他們發現瞭GJ 1151,這是一顆低質量的紅矮星(M矮星)。紅矮星是銀河系中最常見的恒星類型,它們比太陽小得多、溫度也低得多,但卻有著強大的磁場,因此圍繞著它們的宜居行星會暴露在極強的磁場下。許多紅矮星旋轉得非常快,幾個小時就可以自轉一圈。這種旋轉會產生耀發。

GJ 1151卻是一顆相對安靜的恒星,不像其它那些那麼容易爆發。有意思的是,在研究人員對GJ 1151的四次觀測中,隻觀察到瞭一次明亮的射電輻射,而且至少持續瞭8個小時,如此長時間的耀發不可能來自恒星的內部。

這種射電耀發還有一個奇怪的性質,那就是它所放出的光似乎是由那些作圓周運動的電子產生的,這有別於一般會出現在耀發中的情況。但如果說這樣的耀發源自於被行星噴發而出的帶電粒子通過瞭該恒星的磁場,那一切就說的通瞭。

因此研究人員認為,這種強射電輻射是來自一個隱藏著的地球大小的行星。

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○ 紅矮星的磁場與繞其旋轉的行星間的相互作用。| 圖片來源:Danielle Futselaar

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有幾種方法或許可以證實耀發確實來自一顆系外行星。例如研究人員可以繼續監測GJ 1151的射電波,如果他們發現耀發有規律地發生三到四次——也許每公轉一次就會發生一次——那將可被視作為“黃金標準”。

或者他們可以使用現有的行星搜尋方法,盡管每種方法都有其局限性:徑向速度法觀察行星對其母星的引力牽引,但這種方法最適用於木星大小的大型行星;凌日法觀察的是當一顆行星從恒星和地球之間經過時,恒星的光線是否下降,在這種情況下,行星和恒星必須與我們的視線直接對齊,但隻有不到1%的行星會完美的對齊。

尋找外星世界的全新方法

到目前為止,要從這些技術中得到證實還是很困難的。在一篇發表於《天體物理學報通信》的相關論文中,研究人員報告瞭他們用徑向速度法,在加納利群島用專門的行星搜尋儀器進行搜索,但沒有在GJ 1151附近找到任何行星。這一結果表明,如果有這樣的行星存在,其質量必須小於地球的5倍。

另一個尋找行星的項目是CARMENES,它已經研究瞭300多顆紅矮星,其中也包括GJ 1151。CARMENES是一個對小行星有著更高靈敏性的計劃,但目前其巡天任務還沒有完成。研究人員說,即使CARMENES沒有發現GJ 1151附近的行星,那也隻是降低瞭它可能的質量上限。

這些技術的局限性正好說明瞭為什麼一個全新的尋找系外行星的方法將會受到熱烈歡迎。類地行星圍繞在紅矮星周圍要比在氣態巨行星周圍常見得多,這意味著LOFAR可能會發現更多的行星與恒星間的相互作用。

研究人員估計,LOFAR能發現的額外行星數量數將會在數十到數百顆之間。未來,由遍佈世界的數千個射電望遠鏡組成的平方千米陣(SKA)會具有更低的探測頻率,從而發現更多的行星。

參考來源:

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

關於“墨子沙龍”

墨子沙龍是由中國科學技術大學上海研究院主辦、上海市浦東新區科學技術協會及中國科大新創校友基金會協辦的公益性大型科普論壇。沙龍的科普對象為對科學有濃厚興趣、熱愛科普的普通民眾,力圖打造具有中學生學力便可以瞭解當下全球最尖端科學資訊的科普講壇。

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