难以捉摸的系外行星是雕刻它的恒星的螺旋臂的“宇宙雕刻师”

By Robert Lea

2023/7/18

Science & Astronomy

巨大的系外行星MWC 758c提供一个探究外星太阳系的诞生的一瞥。

（左）模拟显示一颗巨大的系外行星潜入围绕一颗恒星的螺旋臂。（右）被大型双目望远镜干涉仪（LBTI观测到的MWC 758行星系统。 (Image credit: K. Wagner et al./ L. Krapp and K. Kratter, University of Arizona)

天文学家已经发现了一颗巨大的外星行星，它正在围绕它的母星的气体和尘埃发展中形成螺旋臂。

科学家们已经说，这颗行星也恰好是太阳系外最红的行星或从来见过的“系外行星”。

螺旋臂是通常与星系相关的结构，我们的螺旋星系银河系的图像提供这种结构的一个惊人例子。螺旋臂不仅限于星系，围绕年轻恒星的气体和尘埃也能发展这些特征。

这张来自模拟的静止照片显示巨型系外行星MWC 758c正在怎样雕刻它的母星的螺旋臂。 (Image credit: L. Krapp and K. Kratter, University of Arizona)

     这颗恒星MWC 758距离地球约500光年远，被估计只有几百万岁老，与我们的“中年”太阳相比它实际上是一个婴儿，太阳大约有46亿岁老。

就像太阳处于它的婴儿期一样，MWC 758被一个叫原行星盘的诞生行星的物质盘包围。但至少从2013年开始，天文学家就已经晓知在这个原行星盘中形成两个臂的螺旋图案。亚利桑那大学的研究人员现在认为，这些双螺旋臂是一颗被标榜为MWC 758c的大质量行星的工作，它在一个相当于地球和太阳之间距离100倍的地方环绕恒星。

研究主要作者和亚利桑那大学斯图尔德天文台博士后凯文瓦格纳在一份声明中说，“我们的研究提出一个坚实的这些螺旋臂被巨大的行星造成的证据，用新的詹姆斯韦伯太空望远镜，我们将能够通过搜索更多像MWC 758c这样的行星进一步测试和支持这一想法”。

由大型双目望远镜干涉仪在红外波长下观测到的MWC 758行星系统。它的螺旋臂是清晰明显的，随它的巨大的系外行星雕刻它们。.  (Image credit: L. Krapp and K. Kratter, University of Arizona)

像这样的原行星盘和从前形成太阳系的圆盘通常需要大约1000万年来消散。构成它们的碎片能要么从系统甩出被婴儿恒星吞噬，要么能被用作行星、卫星、小行星和彗星的构建块。

瓦格纳说，“我认为这个系统是一个我们自己的太阳系不到它的生命周期1%时会已经出现的类比。木星是一颗巨大的行星，也可能在数十亿年前与我们自己的圆盘相互作用并引力上被雕刻，这最终导致了地球的形成”。

原行星盘中的螺旋臂是相当普遍的。在相对较近的年轻恒星系统中发现的30个圆盘中，天文学家已经发现大约10个有它们自己的螺旋臂。

瓦格纳说，“螺旋臂能提供关于行星形成过程本身的反馈，我们的这颗新行星的观测进一步支持这样的巨型行星从早期形成起从它们的出生环境吸积质量，然后引力上改变其它更小的行星来形成的随后环境的想法”。

主要理论是当一个大质量的气态巨行星拉在围绕它的母星涡旋的物质上时，这些螺旋臂被雕刻。然而，到目前为止，天文学家已经失败于发现可能充当这些臂的宇宙雕塑家的行星。

瓦格纳说，“至于为什么我们还没有看到这些行星中的任何一颗这是一个悬而未决的问题，大多数行星形成模型提出巨行星在它们形成后不久应该是非常明亮，这样的行星应该已经被探测到”。

一个螺旋臂交易者怎样仍然的隐藏的

    亚利桑那大学用大型双目望远镜干涉仪（LBTI）围绕MWC 758附近发现了螺旋臂交易者。虽然大多数系外行星狩猎望远镜用电磁光谱波长蓝色端的短波长搜索太阳系外的行星，但亚利桑那大学建造的仪器能在中红外范围内的更长波长观测宇宙。
    这意味着，虽然MWC 758c用它的不寻常和意想不到的红色色调避开了其他望远镜，但它不能给大型双目望远镜干涉仪这个溜过。大型双目望远镜干涉仪首席仪器科学家斯蒂夫尔泰尔解释说，因为地球的大气层和望远镜本身的热辉光，更长、更红的波长比更短的蓝色波长更难检测。

作为从来建造的最灵敏的红外望远镜之一，大型双目望远镜干涉仪甚至能胜过詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST），后者当到探测隐藏围绕它的恒星的行星时也以红外看宇宙。该团队还有关于为什么这颗行星可能已经能够隐藏这么长时间的想法。

尔泰尔说，“我们对为什么这颗行星在更长的波长下更亮提出两种不同的模型，要么这是一颗有一个比预期更冷的温度的行星，要么它仍然从它的形成是热的而它幸好被尘埃笼罩”。

如果MWC 758c被大量尘埃笼罩，这种物质将正在吸收短波长的光，造成行星仅在更长的红色波长下显得明亮。

如果系外行星被大量的尘埃包围，这可能表明它仍正在形成，甚至表明它处在正在收集它自己的卫星就像数十亿年前的太阳系气体巨行星木星所做的那样过程中。

研究合著者和亚利桑那大学理论天体物理学家凯特琳克拉特说，“在另一种一颗被更少尘埃包围的更冷行星的场景中，，这颗行星更暗淡并且在更长的波长上发出更多的光”。

如果MWC 758c的这个更冷的模型是正确的，这意味着在年轻的行星系统中某些东西正在发生，诸如这个造成行星当它们形成时比被预期的更冷。这可能会对行星形成模型和天文学家目前用来狩猎系外行星的技术有影响。

瓦格纳说，“无论哪种情况，我们现在都知道我们需要开始在这些有螺旋臂的系统中寻找更红的原行星”。

探测MWC 758c背后的研究人员现在将在2024年一起用詹姆斯韦伯太空望远镜观测系外行星，来区分在这个婴儿行星系统中潜在的场景之间。

瓦格纳说，“依靠来自詹姆斯韦伯太空望远镜观测的结果，我们能开始将这些新发现的知识应用于其他恒星系统，这将允许我们来做出关于其他隐藏的行星可能正潜伏在哪里的预测，并将给我们一个至于我们应该寻找哪些属性来探测它们的想法”。

 该团队的研究发表在Nature Astronomy期刊上。