一些系外行星倾斜过度,导致一切都分崩离析

行星的轨道正变得不那么神秘。
a pink star with planets around it
艺术家绘制的系外行星围绕恒星运行的图像。NASA/JPL-Caltech

在过去十年里,系外行星发现的爆炸性增长,增强了我们在银河系中找到另一个类似地球世界的希望。但这也让我们对我们之外的恒星系统中奇怪的特殊性有了新的认识——在那里,行星表现出奇怪的排列和古怪的构造,而没有任何好的解释。例如,系外行星对似乎将自己推入比应有的更不规则的轨道,这困扰了天文学家近十年。

终于,我们似乎找到了一些答案,解释了为什么会发生这种情况,以及这对寻找宜居世界意味着什么。发表在《自然天文学》上的新发现表明,这些成对的系外行星通常表现出非常尖锐的极倾角,从而导致“倾角”(行星轴与其轨道之间的关系)将行星推开。其结果是,行星可能经历极端的季节变化和恶劣的气候,影响它们维持某种生命宜居环境的能力。

根据我们目前对行星绕恒星运行的轨道力学的了解,我们期望看到某些构型。行星和卫星经常落入所谓的轨道共振,即它们在各自的轨道上运行时在同一点相互经过。当然,并非所有行星和卫星都这样运行,但共振的发生频率比不发生的要高。这不仅仅是一种巧合现象——这是物理学。

但是,自从我们开始发现越来越多的系外行星以来,天文学家们注意到,其他恒星系统中许多行星对的轨道周期违反了共振,落入了比预期更远的轨道。而且,所有怀疑的原因——比如小行星的引力效应或过量的宇宙气体——都没有得到证实。

尽管如此,我们总是有一些线索可以利用。先前的研究(包括对木星卫星和臭名昭著的倾斜天王星的观测)已经表明,当有足够的能量耗散时,两个天体之间的轨道可能会被分开。如果行星的轨道离其恒星很近,那么恒星就可以对行星产生更强的潮汐力,这就能有效地将轨道能量转化为热能。热能的耗散可能足以改变行星的轨道。

但近距离轨道本身并不能解释天文学家在许多系外行星系统中看到的现象。还有其他因素导致了可能改变整个行星系统的极端潮汐耗散。结果发现,这个因素很可能是大的轴倾角。处于密集区域的、拥有新轨道的年轻行星可能被迫保持高倾角,这反过来又会导致轨道比预测的发生更剧烈的变化。在成对的行星中,轨道将远离共振模式。

耶鲁大学天文学家、这项新研究的主要作者萨拉·米尔霍兰(Sarah Millholland)说:“倾角产生强大的潮汐,潮汐移动或‘塑造’轨道。”“到目前为止,通常的假设是,近地系外行星的轴倾角为零。我们的研究表明并非如此。”

这项研究只是提出了一个理论,目前还没有直接测量系外行星轴倾角来支持这一假设。但这仍然可能是天文学界十年谜团的最佳解释,其影响不容小觑。整个系外行星研究的努力都寄希望于找到一个宜居的世界,而新的发现证实了某些天体物理力学在寻找宜居世界中的重要性。这些倾角不仅会扰乱气候和天气模式,还可能导致行星过度吸收热量。这可能会导致潜在的舒适的地球变成灼热窒息的金星。

耶鲁大学天文学家、新论文的合著者格雷戈里·劳夫林(Gregory Laughlin)说:“开普勒发现的几乎所有行星都完全不适合居住。”“这包括我们认为至少有一个成员具有高倾角的行星对。然而,我们认为有趣的是,许多绕低质量恒星运行的潜在宜居行星可能受到我们所研究的倾角机制的影响。”最值得注意的是,这包括臭名昭著的七行星TRAPPIST-1 系统,其中有三个世界位于宜居带,总共有五个世界展现出不同程度的拥有液态地表水的潜力。

劳夫林强调,虽然拥有高倾角肯定会对行星的气候产生切实的と影響,但高倾角对行星整体宜居性的影响有多大,仍然是一个有争议的问题。地球 23.5 度的倾角显然不会在这里造成问题,但对于一个仅数十光年之遥的恒星系统来说,这可能已经足够导致令人不安的影响了。

需要进行大量的后续工作来实际证实正在发生的事情,这首先要实际观测和表征系外行星的倾角。但是,如果没有这样的研究,倾角对于大多数天文学家来说仍然不为人知。劳夫林说:“我们使用了一个曾被应用于我们自己太阳系中一些模糊的特殊情况的理论,并表明它在太阳系外环境中可以完美地发挥作用。”

 

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