“星球大戰”行星遷移到恆星對周圍的位置

一個研究團隊闡明瞭盧克·天行者的家鄉行星塔圖因如何能夠繞兩顆恆星執行,這兩顆恆星本身也在軌道舞蹈中相互束縛在一起。

以下文章經許可轉載自對話,這是一個報道最新研究的線上出版物。

行星科學正開始趕上科幻小說。自從開普勒太空望遠鏡於2009年發射以來,已經發現了大量太陽系外的行星,其中有許多奇異的、充滿異域情調的世界。開普勒最令人興奮的發現之一是證明了環雙星行星的存在:這些行星圍繞兩顆恆星執行,而這兩顆恆星本身又透過引力束縛在一起,進行著通常是緊密的軌道舞蹈。

盧克·天行者的家鄉行星塔圖因——由喬治·盧卡斯為《星球大戰》系列構想——被設想存在於這種雙星系統中。現在,透過計算機模型,布里斯托爾大學的一個團隊闡明瞭這種行星是如何形成的。


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在開始之初
行星科學家普遍認為,行星形成於圍繞新生恆星的薄氣體盤內。在這個盤內,固體顆粒(被形象地稱為“塵埃”)碰撞並逐漸生長成小行星大小的天體。這些被稱為星子的天體是行星形成的基本磚塊。它們之間進一步的碰撞構建了原行星——岩石狀的、地球大小的天體。

在遠離中心恆星的地方,水和其他化合物“凍結”併成為固體成分的一部分。越過所謂的“冰線”,原行星可以長得更大,並積聚厚重而巨大的大氣層。太陽系中很容易識別出這種靠近中心恆星的小型地球大小行星(水星到火星)和更遠處的巨行星(木星到海王星)之間的鮮明分界線。

為了使這個理論奏效,它需要一個不可思議的壯舉:從比沙粒小一百多倍的微觀塵埃顆粒生長到木星大小的天體。這是一個非常精細的過程,涉及許多物理機制,其中一些機制至今仍知之甚少。

雙重麻煩
一個棘手的問題是星子碰撞的階段。星子需要以驚人的輕柔方式碰撞才能結合在一起;如果撞擊速度太快,它們就會碎裂成更小的岩石。高速碰撞區域對於行星形成是貧瘠的,因為不會發生進一步的生長。這就是為什麼最近發現環雙星行星讓天文學理論家們感到驚訝(或者說,有些懷疑)。

很少有環境比雙星系統更劇烈。在行星形成的早期階段,兩顆恆星周圍強大的引力擾動應該會導致破壞性的碰撞,從而磨碎物質。

然而,迄今為止發現的所有環雙星行星都非常靠近它們的母雙星執行。事實上,它們如此之近,以至於如果它們再靠近一點,它們的軌道就會變得不穩定,以至於被彈出系統或與其中一顆恆星碰撞。這是因為恆星沿著它們的軌道移動,從不同的方向用它們的引力拉扯和擾動行星。那麼,在這個不穩定的區域內,沒有行星能夠長期生存。

為了更好地理解巨型環雙星行星開普勒-34(AB)b的誕生環境,布里斯托爾大學的團隊設計了早期形成階段的複雜計算機模擬。他們的模型發現,在行星當前的位置,星子之間的撞擊總是具有災難性的破壞性。只有遠離兩顆恆星的引力拉力,我們才能期望碰撞速度足夠低,從而發生行星構建。

要解釋一顆本不應該能夠形成的巨行星的位置,就需要援引一個古老的想法:行星遷移。

在我們的太陽系之外發現的第一顆巨行星,飛馬座51b,比水星更靠近我們的太陽執行。這樣一顆行星不可能如此靠近它的恆星形成,因為高溫會在岩石和冰結合在一起之前消除它們。理論家們很快理解了在這個系統早期歷史上發生的事情:這顆行星可能在遠離其恆星的地方形成,隨後遷移到更靠近它的位置。

那麼,情況就變得更加清晰:開普勒-34(AB)b一定是在遠離兩顆恆星的更寧靜的環境中形成的,後來遷移到了它當前的位置。幾個計算機模型已經表明,這個想法是可行的,並且與我們的觀測結果相符。同樣的模型也幫助我們理解了為什麼所有發現的環雙星行星都相對較小。

這讓行星科學家感到困惑,因為通常行星越大,就越容易被探測到。但現在我們知道情況並非如此:我們不會觀測到這樣的行星,僅僅是因為它們沒有在動盪的早期階段倖存下來。行星遷移的模擬表明,木星大小的環雙星行星最終會與恆星的引力場強烈相互作用,並隨後被從系統中甩出去。

儘管仍有許多細節需要完善,但這個理論框架似乎與開普勒迄今為止的發現步調一致。但是,未來尚未進行的行星發現註定會讓我們感到驚訝。

斯特凡諾·梅斯基亞里不為任何可能從本文中受益的公司或組織工作、諮詢、擁有股份或接受資助,並且沒有相關的附屬關係。

本文最初發表於對話。閱讀原文

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