NASA哈勃太空望远镜天文学家们罕见地看到了一颗木星小、仍在形成中的行星,它正以一颗年轻恒星周围的物质为食。

“我们只是对巨行星如何成长了解不多。”德克萨斯大学奥斯汀分校的布伦丹·鲍勒(Brendan Bowler)说。“这个行星系统为我们提供了第一个见证物质落入行星的机会。我们的结果为这项研究开辟了一个新的领域。“

这幅新形成的系外行星PDS 70b的插图显示了物质如何随着它的质量增加而落到这个巨型世界上。利用哈勃望远镜紫外光(UV)灵敏度,研究人员获得了一种独特的观测方法,观察了从极热气体落到该行星上的辐射,使他们首次能够直接测量该行星的质量增长率。PDS 70b行星被它自己的气体和尘埃盘所包围,它从这个行星系中更大的环绕星盘吸收物质。研究人员假设,磁场线从环绕行星的圆盘延伸到该系外行星大气层,并将物质输送到该行星的表面。插图显示了一种可能的磁层吸积结构,但磁场的详细几何形状需要未来的工作来探测。在大约500万年的时间里,这个遥远的世界的质量已经膨胀到木星的5倍,但预计将处于其形成过程的末期。PDS 70b围绕位于半人马座的橙色矮星PDS 70运行,距离地球约370光年,。
影像来源: NASA, ESA, STScI, Joseph Olmsted (STScI)

虽然到目前为止已经有超过4000颗系外行星被编目,但迄今为止只有大约15颗行星由望远镜直接拍摄到图像。这些行星是如此遥远和微小,它们在最好的照片中只是一个小点。研究团队利用哈勃直接对这颗行星进行成像的新技术为进一步的系外行星研究铺平了一条新路,特别是在行星的形成期。

这颗巨大的系外行星被命名为PDS 70b,围绕着橙色矮星PDS 70运行,已知它有两颗正在形成的行星,位于环绕该星的巨大尘埃和气体盘内。该系统位于距离地球370光年的半人马座

“这个系统是如此令人兴奋,因为我们可以见证行星的形成,”同样来自德克萨斯大学奥斯汀分校的周一凡(Yifan Zhou)说。“这是哈勃直接拍摄到的最年轻的真实行星。在短短的500万年里,这颗行星仍然在收集物质和积累质量。”

利用哈勃望远镜的紫外光(UV)灵敏度,研究人员获得了一种独特的观测方法,观察了从极热气体落到该行星上的辐射。“哈勃的观测使我们能够估算出这颗行星增加质量的速度,”周补充道。

2018年,欧洲南方天文台的甚大望远镜捕捉到了第一张围绕一颗矮星形成的行星PDS 70b的清晰图像。哈勃相机上的日冕仪挡住了中心恒星的耀眼光芒,从而使这颗行星作为图像中心右侧的亮点而引人注目。
影像来源:ESO, VLT, André B. Müller (ESO)

紫外光观测为有关这颗行星的研究增添了新的内容,使研究团队首次能够直接测量这颗行星的质量增长速度。在大约500万年的时间里,这个遥远的世界已经膨胀到了木星质量的五倍。目前测量到的吸积速率已经减小到这样的程度:如果这个速率再稳定一百万年,这颗行星的质量只会增加大约木星质量的百分之一。

周和鲍勒强调,这些观测结果只是一个时间快照——需要更多的数据来确定行星质量增加的速率是增加还是减少。“我们的测量表明,这颗行星正处于其形成过程的最后阶段。”

年轻的PDS 70系统充满了原始气体和尘埃盘,为整个系统的行星生长提供了燃料。PDS 70b行星被它自己的气体和尘埃盘所包围,它正在从巨大的环绕星盘中吸取物质。研究人员假设,磁场线从它的环星盘延伸到该系外行星的大气层,并将物质输送到该行星的表面。

“如果这种物质沿着环星盘上的柱状物进入行星,就会造成局部热点。”周解释说。“这些热点的温度可能至少是地球温度的10倍。”人们发现这些热斑在紫外光下会发出强烈的光。

哈勃望远镜的观测精确定位了行星PDS 70b。哈勃相机上的日冕仪挡住了中心恒星的耀眼光芒,从而可以直接观察到这颗行星。虽然到目前为止已经有超过4000颗系外行星被编目,但只有大约15颗由望远镜直接拍摄到图像。研究团队利用哈勃直接拍摄这颗行星的新技术为进一步的系外行星研究铺平了新道路,特别是在行星的形成时期。
影像来源:Joseph DePasquale (STScI)

这些观测为了解46亿年前在太阳周围形成的气态巨行星提供了见解。木星可能是在周围的陨落物质盘中膨胀起来。它的主要卫星也是由该圆盘中的残留物形成。

研究团队面临的挑战是克服母星的强光。PDS 70b的轨道距离与天王星与太阳的距离大致相同,但该行星在紫外光波长上比天王星亮3000多倍。在处理图像的过程中,周非常小心地去掉了恒星的眩光,只留下这颗行星发出的光。这样,他把哈勃望远镜观测中的行星与恒星的距离限制提高了5倍。

“在发射三十一年后,我们仍然在寻找使用哈勃的新方法,”鲍勒补充说。“一帆的观测策略和后处理技术将为哈勃重复研究类似系统甚至相同系统打开新的窗口。随着未来的观察,我们可能会发现大部分气体和尘埃何时会落在它们的行星上,以及是否以恒定的速率落到行星上。”

研究人员的研究结果于2021年4月发表在《天文学杂志》上。

哈勃太空望远镜是美国宇航局和欧空局(European Space Agency)的一个国际合作项目。美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心负责管理该望远镜。位于马里兰州巴尔的摩的太空望远镜科学研究所(STScI)负责哈勃望远镜的科学操作。STScI是由位于华盛顿特区的天文学研究大学协会为NASA运营。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/hubble-watches-how-a-giant-planet-grows

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