华盛顿贝尔维尤的汤姆·雅各布斯喜欢寻宝。自2010年以来,这位前美国海军军官一直参与在线志愿者项目,让任何感兴趣的人——“公民科学家”——通过NASA的望远镜数据,寻找系外行星的迹象。

现在,雅各布斯帮助发现了一颗距离地球379光年的巨型气态行星,它围绕着一颗与太阳质量相同的恒星运行。这颗木星大小的行星对天文学家来说很特别,因为行星上的一年有261天,比太阳系以外的许多已知巨型气态行星要长。这一结果还表明,这颗行星与它的恒星的距离仅比金星与太阳的距离略远一点。这一发现发表在《天文学杂志》上,并于1月13日在美国天文学会虚拟新闻发布会上发表。

这幅插图描绘了一颗名为TOI-2180 b的类木星系外行星。它是在NASA的凌日系外行星勘测卫星的数据中发现的。
影像来源:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt

要发现这颗行星并确定它的大小和质量,需要专业天文学家和像雅各布斯这样的公民科学家进行大量合作。加州大学河滨分校天文学家、该研究的主要作者保罗·达尔巴说:“为了跟踪这颗行星,他们进行了一场全球联合行动,因为我们都需要一起追踪它,以密切关注这颗特定的行星。”

“发现和出版TOI-2180 b是一项伟大的团队努力,证明了专业天文学家和经验丰富的公民科学家可以成功地合作,”雅各布斯说。“这是最好的协同作用。”

这个发现是如何发生

这颗新发现的行星的特征隐藏在NASA的凌日系外行星勘测卫星(TESS)的数据中。利用TESS数据,科学家们寻找附近恒星亮度的变化,这可能表明存在绕轨道运行的行星。

雅各布斯是一群公民科学家中的一员,他们研究TESS数据,通过观察恒星的亮度随时间的变化来寻找新的行星。当专业天文学家使用算法自动扫描来自恒星的数以万计的数据点时,这些公民科学家使用一个由艾伦·R·施密特创建名为LcTools的程序,用肉眼检查望远镜的数据。这就是为什么由几位公民科学家和两位资深天文学家组成的雅各布斯小组自称为视觉调查小组的原因。他们中的许多人是在行星猎人工作时认识的,行星猎人是一个由NASA资助的公民科学项目,通过宇宙动物园(Zooniverse)进行研究,该项目的重点是NASA开普勒航天器的数据。

2020年2月1日,雅各布斯碰巧注意到一张图,显示TOI-2180发出的星光减弱了不到0.5%,然后在 24 小时内恢复到之前的亮度水平,这可能是因为从我们的角度看,一颗轨道行星经过恒星前方时被称为“凌日”。通过测量行星经过时变暗的光量,科学家们可以估计行星的大小,并结合其他测量结果来估计它的密度。但只有当一颗恒星和它的行星排成一列并用望远镜寻找它们时,才能看到凌日现象。

显示星光随时间变化的图表称为“光曲线”。视觉调查小组提醒了两位专业科学家合作者——加州大学河滨分校的保罗·达尔巴和新墨西哥大学的助理教授戴安娜·德拉戈米尔,这条光曲线可能很有趣。

“有了这个新发现,我们也在推动我们可以从TESS观测中提取的行星种类的极限,”德拉戈米尔说。“TESS并不是专门为发现这种长轨道系外行星而设计,但我们的团队在公民科学家的帮助下,仍在挖掘这些稀有的宝石。”

专业天文学家使用的计算机算法旨在通过识别来自单个恒星的多个凌日事件来搜索行星。这就是为什么当只有单次凌日现象可用时,公民科学家的目视检查如此有用。由于这是该数据集中 TOI-2180 b星变暗的唯一实例,因此被称为“单次凌日事件”。

汤姆·雅各布斯是一位公民科学家,他与专业科学家合作在夏威夷的哈雷阿卡拉高空观测站寻找系外行星。
影像来源:汤姆·雅各布斯

“他们投入的手动工作非常重要且令人印象深刻,因为实际上很难编写可以通过一百万条光曲线并可靠地识别单个凌日事件的代码,”达尔巴说。“这是人类仍在击败代码的一个领域。”

但该团队如何排除星光短暂下降的其他解释呢?他们能确定他们找到了一颗行星吗?他们需要后续观察。

幸运的是,达尔巴能够在加利福尼亚州的利克天文台找到了自动行星探测望远镜。他说:“我用望远镜来测量恒星的摆动,然后确定这颗行星的质量,如果它真的是行星的话。”当利克天文台受到野火威胁时,研究小组还使用了位于夏威夷W. M.凯克天文台的凯克I号望远镜进行了一些测量。

达尔巴和他的同事们在500多天的时间里进行了27小时的观测,观测到了这颗行星对这颗恒星的引力拖拽,这使他们能够计算出这颗行星的质量,并估计其轨道的一系列可能性。尽管如此,他们还是想在行星返回时观察它的凌日,以确认其轨道。不幸的是,要找到第二个凌日事件将很困难,因为这颗行星将在什么时候再次穿过它的恒星的表面有太多的不确定性。

达尔巴继续努力,并于2020年8月在三大洲的14个地点组织了一场包括专业天文学家和公民科学家在内的观测活动。为了支持这项运动,达尔巴在加利福尼亚州约书亚树国家公园露营了五个晚上,并用两台便携式业余望远镜寻找凌日。这项合作工作在11天内产生了55个数据集。

最终,这些望远镜都无法准确地探测到这颗行星。尽管如此,在这段时间内,由于缺乏明确的探测,这一轨道的长度有了一个界限,即大约261天。根据这一估计,他们预计TESS将在2022年2月再次看到这颗行星凌日其恒星。

有关行星的信息

TOI-2180 b的质量几乎是木星的三倍,但直径相同,这意味着它比木星密度更大。这让科学家们怀疑它的形成方式是否与木星不同。

关于这颗行星形成的另一个线索可能是它里面的东西。通过计算机模型,他们确定这颗新行星可能有多达105个地球质量的比氢和氦重的元素。 “这很多,”达尔巴说。 “这比我们怀疑的木星内部要多。”

天文学家仍然需要了解很多关于行星范围的信息。大约 4,800 颗系外行星已被确认,但我们认为银河系中有数十亿颗行星。新发现表明,在巨行星中,有些行星的重元素比其他行星多得多。

在我们的太阳系中,巨大的木星每 12 年绕太阳运行一次;对于土星来说,一个“年”是 29 年。我们在地球和太阳之间没有像 TOI-2180 b这样的巨行星。但在太阳系之外,天文学家已经发现了数十颗比木星还要大的系外行星,它们的轨道距离它们的恒星更近,甚至比水星的轨道更近。

TOI-2180 b 的平均温度约为170华氏度,比地球上的室温还要高,比我们太阳系的外行星(包括木星和土星)还要温暖。但与天文学家发现的围绕其他恒星运行的一系列凌日巨型系外行星相比,TOI-2180 b异常寒冷。

“这是我们发现的大多数巨大的系外行星和非常冷的木星和土星之间的一块很好的垫脚石。”达尔巴说。

下一步是什么

当TESS在二月份再次观测到这颗恒星时,达尔巴和市民号的科学家们渴望得到数据并重新投入研究。如果他们找到了这颗行星的特征,确认了261天的周期,那么他们在2020年全球寻找这颗行星的活动的数据将更有意义。

12月25日发射的NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜有可能观测到这颗行星及其大气层。但达尔巴对韦伯的能力感到兴奋还有另一个原因。考虑到在我们自己的太阳系中,木星有环和卫星,韦伯可以用来寻找围绕TOI-2180b轨道运行的小天体。

到目前为止,在我们的太阳系之外还没有确凿地发现任何环或卫星,但其中一个原因可能是许多系外行星被发现非常靠近它们的恒星,而恒星的引力可能会将这些物体带走。TOI-2180b位于离其主星较远的位置,可能是进行这种搜索的一个有趣机会。“我认为这是一个有趣的系统,供以后使用。”达尔巴说。

公民科学家雅各布斯在不从事他的行星搜寻爱好的时候,就会与非营利组织合作,帮助残疾人在他们的社区找到工作。

雅各布斯说,“视觉调查小组的成员出于纯粹的快乐和对推进科学的兴趣,每天花费大量时间调查数据。”该团队共同撰写了超过68篇经过同行评审的科学论文,包括发现凌日的“系外彗星”或太阳系外的彗星穿过恒星表面。

“我们喜欢为科学做出贡献,”雅各布斯说。“我喜欢这种类型的调查,因为我知道这是一个新的未被发现的领域,以前没有人见过。”

关于公民科学的更多信息

NASA在从地球科学到太阳再到更广阔的宇宙的各个主题上有着广泛的公民科学合作。世界上任何人都可以参与。请访问science.nasa.gov/citizenscience查看最新的机会。

关于TESS的信息

TESS是一项NASA天体物理学探索任务,由位于马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院领导和运营,并由NASA的戈达德太空飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普·格鲁曼公司;NASA位于加利福尼亚硅谷的艾姆斯研究中心;位于马萨诸塞州剑桥的哈佛和史密森天体物理中心;麻省理工学院林肯实验室;以及巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。全球有十几所大学、研究机构和天文台参与了该任务。

美国国家科学基金会天文学和天体物理学博士后奖学金计划为这项研究提供了支持。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/citizen-scientists-spot-jupiter-like-planet-in-nasa-tess-data

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