一颗微小的恒星诞生了一颗巨大的系外行星但没有人知道如何

By Keith Cooper published 6 hours ago

Exoplanets

天文学家们被困惑。

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艺术家的红矮星TOI-6894（前景）和它的在背景中環绕的巨大行星的印象。 (Image credit: University of Warwick/Mark Garlick)

就像一个其中矮个子父母有高个子孩子的家庭一样，一颗微小的红矮星正在蔑視我们的行星如何被与一颗巨大的一道共存的系外行星形成的理解。

巨型行星是不罕见的——毕竟，我们在我們的太阳系中有四颗。然而，在圍繞最小的恒星红矮星罕見的发现了是如此大的世界。红矮星只是不应该有足够的物质来形成如此巨大的世界。

好吧，告诉红矮星TOI-6894那個，它位於距离我们238光年遠處。它有剛好太阳质量的20%，但已被发现宿主一颗有點比土星更大的巨型行星TOI-6894b，尽管只有有環的土星质量的一半左右。

统计工作已經表明只有大约1.5%的红矮星拥有气态巨行星，因此TOI-6894真的是在一个罕见的品种中。它是迄今为止被发现的质量最小有一颗環繞的巨大行星的恒星：有不到下一个有一個气态巨星的最小质量恒星的60%的质量。

鑒於圍繞红矮星这样的世界多么稀缺，從美国宇航局過境系外行星勘测卫星（TESS）的数据中發現这颗新行星是不容易的。（系统名称中的“TOI”是指“過境系外行星勘测卫星感兴趣的对象”） 。

华威大学的爱德华·布莱恩特在一份声明中說，“我最初搜索过過境系外行星勘测卫星观测的91000多颗低质量红矮星寻找巨行星”。

靠发现過境系外行星勘测卫星已經记录了TOI-6894b過境它的恒星，这给了布莱恩特这颗行星的半径，他的团队随后用智利非常大望远镜上的岩石系外行星和稳定光谱观测Echele光谱仪（ESPRESSO）和在毛納吉亞（Mauna Kea）上的加拿大-法国-夏威夷望远镜上的光谱偏振仪Infrouge（SPIRou）來确定它的质量。

然而，伦敦大学学院穆拉德空间科学实验室的团队成员文森特·范·艾伦在声明中說，“我们真的不了解有如此小质量的恒星如何能形成如此一個大質量的行星的” 。

有两种模型來描述巨行星的形成。一種方式其中我们认为木星、土星、天王星和海王星如何經由一个叫核心吸积的过程形成。一个巨大的行星核质量高达地球的十倍，首先出自比氢和氦重的元素形成。由此造成的大型岩石体的引力然後能够在一個失控过程中从周围的行星形成盘中拉進大片气体。

鑒於红矮星是按比例缩小的恒星，在它们的行星形成盘中可用的物质然後類似的按比例缩小——因此为什么我们圍繞红矮星发现許多比气体巨星更小的小行星。计算提示TOI-6894b的核包含地球质量的12倍。然而，在之前一個圍繞我們的太陽的質量15和25%之間红矮星的70个行星形成盘的勘測中，只有5个被发现含超过12个地球质量的重元素，只有一个有過一個明显的大于12个地球重量的丰度。賠率是TOI-6894b不应该已經能够支持核心吸积。

然而，布莱恩特已經试图设想一个被减半的核吸積过程。鉴于TOI-6894b的总质量小于土星，一個失控的吸积过程可能已經不需要来堆積它的质量。

他说，“鑒於这颗行星的质量，TOI-6894b可能已經通过一个中间的核心吸积过程形成，在这个过程中，一個原行星形成并稳定的吸积气体不用核變成的质量足以气体吸积失控”。

巨行星形成的另一种方式是来自一個盘的不稳定性，既此一個行星形成盘的一部分變得在它自身重力作用下不稳定并坍塌聚集成一個行星。这是一个自上而下的形成过程，而不是自下而上的核心吸积，但天文学界内就是否这种低质量恒星甚至能體驗一個星盘不稳定有分歧。

因此，TOI-6894b的起源仍然是一个開放的问题，但詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）可能潛在的在这颗行星的大气层中发现答案。

TOI-6894b每3.37天環绕它的恒星一圈，在一個仅389万公里（242万英里）的距离上。一颗如此接近一個太陽一樣恒星的气态巨星将被归类为一顆“热木星”，有一個高达数百摄氏度如果不超过一千摄氏度的大气層温度。然而，作为一颗红矮星，TOI-6894有一個比我们的太阳低2500摄氏度以上的温度，这意味着TOI-6894b有一個仅为147摄氏度（296华氏度）的大气層温度——仍然温暖，但绝不是热。这对它的大气的化学有後果。

伯明翰大学的阿毛裏（Amaury Triaud）在声明中說，“基於TOI-6894b的恒星辐射，我们预计大气层主要被甲烷化学統治，这是非常罕见來識別的。温度足够低，大气观测甚至可以向我们顯示氨，这将是首次在系外行星大气中发现氨” 。

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一個來观测TOI-6894b大气层的提议已被接受为詹姆斯·韦伯太空望远镜的第四个科学观测周期的部分，将在未来12个月内發生。除了寻找甲烷和氨一樣物质外，對詹姆斯·韦伯太空望远镜可以识别的行星大气層特征可以指出哪种形成模型——核心吸积或盘不稳定性——是正确的一個，或甚至是否需要一种全新的形成模型。

尽管围绕红矮星的巨行星是罕見的——其他例子包括LHS 3154b、GJ 3512b和c以及TZ Ari b——但这些数字可能仍然站在它们一边。这是因为红矮星是银河系中最常见的恒星类型，占银河系中估计的1000亿颗恒星的四分之三。因此甚至750亿颗恒星中有1.5%是大量的红矮星，确切地说是11.25亿颗可能宿主巨行星。

布莱恩特总结道，“这一发现将是一個理解巨型行星形成极端的基石”。

TOI-6894b的发现于6月4日发表在《Nature Astronomy》杂志上。