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太阳系外的“月亮”或诞生在这个“盘”里

来源:科技日报2021-08-03 09:13

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  生活在这个时代,我们很幸运。因为经常可以和全世界的天文学家一起见证宇宙深处各种前所未见的天文奇观,比如首次清楚地看到可以孕育系外卫星的行星周盘——7月22日,据国外媒体报道,天文学家在一颗名为PDS 70c的遥远行星周围发现了一个行星周盘,这颗年轻的系外行星可能正在形成它的卫星。相关结果发表于《天体物理学杂志通讯》。

  系外卫星或许很普遍

  400多年前,意大利宇宙哲学理论家布鲁诺提出:恒星是距离更远的太阳;它们周围也有自己的行星,这些行星还可能孕育着生命。100多年前,天文学家通过观测太阳和恒星的距离与光谱证实了太阳就是一颗恒星。

  1995年,伴随着首颗类太阳恒星周围行星飞马座51b的发现,布鲁诺关于系外行星的猜想也被证实。目前已知的系外行星有4000多颗。通过估算,银河系中的系外行星可能和恒星一样的普遍。

  发现了首个系外行星后,大家自然有了一个新的疑问:系外卫星是否存在?所谓系外卫星,就是围绕太阳系外行星运行的卫星。其实卫星在太阳系内很常见,太阳系的八大行星中,除了水星和金星,其他6颗都有卫星,而且总数有200余颗。通过与太阳系的情况做类比,我们有理由推测:系外卫星应该是存在的,而且可能和系外行星一样普遍。然而想要从科学上证明这个猜想却并不容易,主要原因在于天文观测的限制。银河系中至少有几千亿颗系外行星,但是我们目前只发现了其中的亿分之一。可见要发现系外卫星绝非易事。

  探测系外卫星的方法与探测系外行星的方法类似。目前科学家使用微引力透镜、凌星计时、凌星法等间接探测方法发现的系外卫星候选体总数不足20颗。这些都还只是疑似的系外卫星,目前还没有被确认。我们也可以使用直接成像的方法探测系外卫星。但是因为系外卫星太小又不发光,其寄主行星与寄主恒星的光度差别巨大。因此这种方法目前难以实现。以后使用今年即将发射的韦伯太空望远镜或许可以实现。

  见证系外“月亮”的诞生

  我们目前虽然难以观测已形成的系外卫星,但是可以通过最先进的毫米波望远镜观测到系外卫星的形成环境。近日,一个由国际天文学家组成的团队使用位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列望远镜(ALMA)第一次清楚地观测到了一个可以孕育系外卫星的行星周盘(行星周围由气体和尘埃组成的盘)。事实上,两年前就有另一个国际天文学家团队也利用ALMA发现了这个“可疑”的行星周盘,不过那时的观测精度较低,不能把这个行星周盘与周围的环境清晰地区分开,也就不能确认它的存在;这次的观测精度可以清楚地将这个行星周盘与周围的环境分开,并且可以限定其大小:这个行星周盘半径约为1au(日地平均距离),其质量足够形成3颗月球大小的卫星。

  这个行星周盘位于一颗年轻的气态巨行星PDS 70c的周围。PDS 70c的寄主恒星PDS 70位于人马座,距离太阳约367光年。PDS 70的质量约为太阳的80%,年龄只有大约540万年,差不多是太阳年龄的千分之一。PDS 70的周围有一个半径达100au的气体尘埃盘(星周盘)。天文学家分别于2018年和2019年发现PDS 70周围有两颗形成中的行星(原行星):PDS 70b和PDS 70c。PDS 70b距离PDS 70大约22au,这与天王星到太阳的距离相仿。PDS 70c距离PDS 70大约34au,与海王星到太阳的距离相仿。这两颗原行星的质量大约在木星质量的1—10倍之间。目前还在非常缓慢地吸积周围物质。

  目前已知的形成中的系外行星只有PDS 70b和PDS 70c(其他4000多颗已知的系外行星都是成年行星)。因此这些观测结果不但可以让我们研究卫星的形成,还可以用来测试行星的形成理论。恒星形成于一个巨大的气体尘埃团。尘埃团最初微小的转动在收缩形成原恒星的过程中会被放大。形成恒星后多余的物质会再形成一个围绕恒星转动的星周盘。行星形成于恒星周盘。原行星通过吸积星周盘内的物质来成长,并通过引力逐渐清理其所在轨道内的气体尘埃。在这个过程中,如果一颗行星离其主星足够远,它周围的气体尘埃受到恒星的影响较小,它的周围就有可能聚集到足够的物质形成一个行星周盘。同时这个行星周盘内的气体和尘埃也可能通过频繁的碰撞逐渐聚集形成卫星。不过目前天文学家还没有完全弄清楚行星和卫星形成过程中的具体细节。要进一步研究这些细节,就是天文学进步的动力。

  将来随着6.5米韦伯太空望远镜(JWST)以及欧洲39米极大望远镜(ELT)等新一代地面巨型望远镜的陆续投入使用,我们也许有机会探测到系外生命存在的生物证据,从而验证布鲁诺400多年前关于系外生命的猜想。

  (作者:张曾华,系南京大学天文与空间科学学院副教授)

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