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天文新知

TESS首度發現地球級適居行星及雙太陽行星

2020年開年大紅!美國航太總署(NASA)凌日行星搜尋衛星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)宣布兩項重要發現:發現它的第一顆位在恆星適居區(habitable zone)內的地球級系外行星,以及它的第一顆繞著兩顆恆星公轉的環雙星系外行星。
 


TOI 700 d:TESS的第一顆地球級適居行星

TEES的第一顆位在恆星適居區的地球級系外行星編號為TOI 700 d,意味著如果該行星上有水的話,能以液態水的型態存在於行星表面。TESS發現該行星之後,天文學家另用史匹哲太空望遠鏡(Spitzer Space Telescope)和電腦模擬方式確認該行星的潛在環境,以便能協助訂定未來的觀測方向。此外,TOI 700 d也是少數已知的地球級系外行星,不過其他的除TRAPPIST-1外,皆由克卜勒太空望遠鏡(Kepler Space Telescope)發現。

TOI 700行星系統示意圖。Credit: NASA

TOI 700是一顆M型紅矮星,距離約100光年,位在南天的劍魚座(Dorado)方向,質量和半徑都僅約太陽的0.4倍,表面溫度則僅約太陽的一半,TESS於這顆恆星旁發現3顆凌日行星。由於先前對TOI 700恆星大小估計錯認為與太陽差不多,導致估計出的TOI 700 d比真實大小還大且熱;後來這個錯誤修正後,更新了TOI 700 d的參數,方才發現TOI 700 d落在該恆星的適居區中,且大小與地球相仿。且在長達11個月的TESS觀測資料中,TOI 700都沒有閃焰爆發的現象,顯示TOI 700 d環境相當單純、穩定而適宜居住,讓天文學家能更容易地模擬出它的大氣和表面狀況。

該系統中的最內側行星TOI 700 b大小幾乎與地球相同,很可能也是岩質行星,繞其母星公轉一週約僅10天。而中間的TOI 700 c比地球大了約2.6倍,大約介在地球和海王星之間,公轉周期約16天,可能是一顆氣態行星。最外側的TOI 700 d是bcd這3顆行星中唯一落在適居區中的,直徑約比地球大20%,公轉周期約37天,應該也是一顆岩質行星,收到其母星的輻射量約為地球收到太陽輻射量的86%。

天文學家認為這3顆行星都被其母恆星潮汐鎖定,意味著其自轉周期和公轉周期一樣長,會始終以同一面面對其母恆星,所以即使TOI 700 d是地球級適居行星,它大氣中的雲系形成和風的型態都與地球截然不同。其中一項電腦模擬認為TOI 700 d如果有海洋的話,應該與火星早期狀況類似,擁有濃厚且主要為二氧化碳的大氣;另一項電腦模擬結果則認為TOI 700 d應該類似完全沒有雲、完全顯露地表狀況的地球,風則從背對恆星的夜晚面吹向面對恆星的白晝面。這些猜測,未來如能精細觀測到這顆大氣的光譜,就可以確定它的真實狀況。
 
TOI 1338 b:TESS的第一顆環雙星系外行星

一位參與NASA哥達德太空中心(Goddard Space Flight Center)暑期實習計畫的高三學生Wolf Cukier在檢驗一批TESS的食雙星資料時,突然發現其中一個系統TOI 1338發生「食」的時間不對,後來經天文學家Veselin Kostov等人確認其實是一顆行星繞著這對雙星造成的。這是TESS觀測中,第一個發現同時繞著兩顆恆星公轉的系外行星,即所謂的環雙星系外行星(circumbinary planet),編號為TOI 1338 b。

TESS發現的第一顆環雙星系外行星示意圖。Credit: NASA

TOI 1338系統距離約1300光年,位在南天的繪架座(Pictor)方向。兩顆恆星約每15天互繞一週,其中主星的質量比太陽大10%,另一顆伴星則比較冷、比較暗,質量只有太陽1/3而已。這個系統內目前僅發現TOI 1338 b一顆行星,質量約地球的6.9倍,約介在海王星和土星之間,它繞雙星公轉的軌道平面就在雙星互轉軌道平面上,所以從地球的方向看過去,這兩顆恆星會因互相遮蔽而發生互食(eclipse)現象的同時,當TOI 1338 b經過兩星前方時,也各會發生凌日(transit)現象。食和凌都會造成總亮度減低。

不過,兩恆星互食的周期和亮度降低程度都很規律而容易觀測,但由於兩顆恆星和行星都在動,TOI 1338 b凌日就沒有那麼規律,介在93~95天之間,且亮度降低的程度和持續時間也都不盡相同,比較難觀測。不過因為雙星中的伴星太暗,目前TESS觀測到的TOI 1338 b凌日都發生在主星。根據以往觀測資料所進行的電腦模擬結果,TOI 1338 b的軌道至少在未來1000萬年內都相當穩定。

克卜勒任務和其K2任務之前已經在10個系外行星系統中發現12顆環雙星系外行星,狀況全都與TOI 1338 b類似。一般雙星觀測比較偏向於發現大型行星,小型行星凌日時對恆星亮度的影響力則不大,但TESS在任務頭兩年觀測了數十萬組食雙星系統,以量取勝,因此未來必定還有許多環雙星行星等待被發現。(編譯/張桂蘭)

資料來源:
1. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-planet-hunter-finds-its-1st-earth-size-habitable-zone-world
2. https://www.nasa.gov/feature/goddard/2020/nasa-s-tess-mission-uncovers-its-1st-world-with-two-stars
 
資料來源:NASA

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