如果我沒記錯的話,我高中的時候第一次看到「繪架座beta星(即Beta Pictoris)有一個塵埃盤」的新聞(註1)。在當時還沒有一顆系外行星被發現,大家所熟知的行星系統全宇宙就太陽系一個,而且任何一個行星系似乎都該長成這個樣子。

BetaPictoris 

當年新聞報導繪架座beta星塵埃盤的照片

圖片1  

我們正在目睹行星的誕生!經過30年的觀察,天文學家發現靠近Beta Pictoris的吸積盤逐漸被清空(A)然後在2003年首度拍攝到Beta Pictoris b(B)並在2009與2010兩度拍攝到已凌日的Beta Pictoris b(C)由此計算Beta Pictoris b的軌道半軸長約9AU即土星繞日的平均半軸長

當然,那是30年前的事了。結果第一批確認的系外行星就很詭異,因為天文學家發現有兩顆岩質行星繞一顆中子星-嚴格來說是中子星裡的脈衝星-運行(註2)。而第一顆被證實的主序星行星51 Pegasi b倒是一顆木星型的氣態行星(質量約木星的0.472倍),問題是所在位置-木星離太陽的距離約5.2AU,表面溫度約165K(1K等於攝氏-273.15度);可是51 Pegasi b離51 Pegasi只有0.52AU,表面溫度約1284K。

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51 Pegasi b的示意圖

51 Pegasi b是目前所有熱木星的原型,這種完全出乎意料之外的位置直接挑戰了行星形成的理論。目前這個稱為「大遷徙假說」的理論認為,任何原行星盤裡所產生的第一顆木星型行星往往會進行軌道的漂移,如果原行星盤的質量不夠大,只夠產生一顆木星型行星的話,多半會遷移到恆星附近並形成熱木星。但像太陽系這樣產生第二顆木星型行星(即土星)的話,行星與恆星間的引力交互作用會讓兩顆氣態行星穩定地運行在離恆星較遠的地方。

一般熱木星大約是在離恆星0.015-0.5AU的位置運行,由於距離太近,目前所發現的熱木星都被潮汐鎖定,也就是自轉與公轉同步,其中一面永遠面對恆星,因此面對恆星這一面的表面溫度非常的高。之前所發現表面溫度最高的熱木星的表面溫度約2800K(註3),在這種溫度下,幾乎所有的重金屬都能熔解。

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WASP-121 b的示意圖由於離母星太近稍大的分子如水或其它氣體被蒸發溢散至太空因此WASP-121 b運行時就像慧星拖著慧尾一樣

Kelt-9 b的發現不僅刷新了熱木星最高的表面溫度,它甚至需要新的行星形成模型與新的行星大氣模型來描述。Kelt-9b離地球約620光年,是一棵質量約2.88倍木星的氣態行星,離母星約0.03AU的距離運行,表面溫度高達4600K,事實上比所有K5以下的主序星(註4)的表面溫度都高(K5V主序星的表面溫度為4450K),而M型主序星即紅矮星(表面溫度在3500K以下),可能占這個宇宙中70%以上的恆星,因此Kelt-9 b的表面溫度甚至比近3/4的恆星都還要高。

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繞行Kelt-9Kelt-9 bKelt-9 b運行時應該也會拖著一條尾巴但這尾巴是分子還是原子就不得而知了

 

運行中的Kelt-9 b


Kelt-9 b會有那麼高的表面溫度是因為母星,也就是Kelt-9有很高的表面溫度。Kelt-9的質量是太陽的2.5倍,表面溫度高達10140K,剛好介於B型與A型主序星之間(標準的B9V型主序星的表面溫度約為10600K,標準的A0V型如織女星則約為9600K)。如果Kelt-9算是B型主序星的話,那麼Kelt-9b會是B型主序星裡所發現的第一顆「小」質量行星。

當然這個「小」是一種相對的定義,畢竟Kelt-9 b的質量是木星的2.88倍。但目前B型主序星裡只有兩顆恆星被發現有巨大質量的行星級天體在繞行,分別是繞行HIP 78530的HIP 78530 b與Kappa Andromedae(仙女座Kappa,中文名為螣蛇廿一)的Kappa Andromedae b。這兩顆天體都被直接拍攝下來,HIP 78530 b的質量是23倍木星質量,軌道半軸約710AU(冥王星的軌道半軸約39.5AU),表面溫度達2800K;而Kappa Andromedae b的質量約13倍木星質量,軌道半軸約55AU,表面溫度1700K。它們能被拍攝下來的原因是因為很高的表面溫度(因為是釋放熱量,因此可以被精密的紅外線相機拍到)以及夠長的軌道半軸,重點是兩顆天體都在13倍木星質量或以上,剛好位於棕矮星的下限之上(註5)。

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太陽(G2V型黃矮星)、M型紅矮星、棕矮星、木星與地球在大小上的差異

棕矮星是質量太低,核心不能維持大規模的氫融合反應,與主序恆星不同的次恆星,質量大約在13-65倍木星質量之間,可是半徑卻跟木星差不多。雖然棕矮星無法藉由氫融合產生能量,但在冷卻的過程中卻可釋放大量的熱量,這是為什麼有些棕矮星的表面溫度可以到2000K以上(木星的表面溫度雖然只有165K,但其釋放出的熱量依然比從太陽接收者為多)。雖然HIP 78530 b與Kappa AAndromedae b是棕矮星或是大質量氣體行星仍未有定論(目前認為它們是棕矮星者較為普遍,因為星體是由分子雲的重力塌陷而產生的可能性較高),但比起Kelt-9 b不僅大了許多,而且軌道離母星也遠多了。所以Kelt-9 b的存在在B型主序星裡是第一個例子,也挑戰了行星形成的理論。

圖片2   

少數被發現的繞行B型恆星的大質量氣體行星/棕矮星拜星體散發出的大量熱量與更精密的紅外線照相機所以兩顆星體雖然離地球相當遙遠卻依然能被直接拍攝下來

主序星的形成是由以氫與氦為主所組成分子雲起始,經過壓縮後(促進氣體壓所的來源通常是附近超新星爆炸或星系碰撞的衝擊波),分子雲產生重力塌陷,並開始旋轉。等到質量達到一定的比例後(下限是太陽的0.07倍),重力塌陷的中心就能點燃氫融合反應。可是質量越大的恆星(如O型與B型主序星),在很多的時間內就能產生強大的恆星風,使得原行星盤內的物質還來不及吸積成行星就被恆星風吹散。Kelt-9 b顯然是由原行星盤內產生,或許是因為Kelt-9沒有大到能在行星形成前就產生恆星風,可是也沒能讓更多的行星產生。

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赫羅圖(Hertzsprung-Russel diagram)。是由丹麥天文學家Ejnar Hertzsprung及由美國天文學家Henry N. Russell分別於1911年和1913年各自獨立提出的,他們利用恆星的亮度、顏色和光譜之間的統計關係繪製出這張圖譜,最終證明與恆星演化的過程相關。圖譜中最長的一條即為主序帶,在主序帶裡的主序星,其光度、表面溫度、與恆星直徑都成正相關;主序帶上方的恆星是主序星老化時所膨脹而成的巨星,其光度與恆星直徑和表面溫度成反比,也就是表面溫度偏低,可是光度與恆星直徑卻很大;在主序帶下方的為白矮星,其光度與恆星直徑和表面溫度也是成反比,但與巨星相反,即表面溫度很高,可是光度與恆星直徑很小。

Kelt-9 b另一個值得研究的地方即為它的超高溫度。只要是能形成氫融合反應的恆星,整個星體就是由原子而非分子組成,這是因為溫度太高而使分子電離化而成原子電漿。Kelt-9 b的表面溫度達到4600K,意思是向陽面的大氣也將完全電離化,同時分子將無法形成。最直接的問題就在這種電漿形態的大氣運動會是什麼樣子?是如同紅矮星一樣產生由內而外的對流?還是有類似其它熱木星的大氣環境,只是那是原子大氣?這在目前都還無法瞭解。

隨著系外行星被發現越來越多,行星形成的理論也一直被翻新。這就是我為什麼喜歡科學的地方,因為隨時都有新發現,我好愛這種感覺!

註1:繪架座beta星在史書裡稱為老人增四,現在已經證實大約在9AU的位置有一顆質量約8倍木星的系外行星正在形成,此外可能還有一顆海王星至木星級的行星在25-44AU的位置。

註2:脈衝星是中子星的一種,同樣均為超新星爆炸後的產物,所以這些行星到底是原有氣態行星被爆風吹到外層氣體後的殘存物,還是爆炸後二次形成的行星,目前都沒有定論。

註3:這顆熱木星是WASP-121 b,離母星WASP-121約0.025AU處運行,除了熾熱的表面溫度外,這也是第一顆被發現有平流層的熱木星,顯示這類熱木星依然有強大的大氣環境;WASP-121是一顆離地球880光年,F5型的主序星,表面溫度約6460K。

註4:主序星是一種處於活躍期的恆星的分類方式,由於恆星的絕對星等與半徑成正相關,因此利用光譜類型就能區分恆星的大小。目前主序星由大到小分為O、B、A、F、G、K、M等7型,從每型又從0至9分為10等,其中太陽為G2V型黃矮星,K與M型主序星分別為橙矮星與紅矮星,而紅矮星應該為宇宙中數量最多的恆星。

註5:但有一種極低溫的Y型棕矮星,最遲在2011年才被定義,或被稱為次棕矮星或流浪行星。其表面溫度在225-400K之間,質量大約在7-13倍木星質量之間,可是星體是由分子雲的重力塌陷而產生,而不是由原行星盤中產生。

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