“苔丝”发现的第一个环双星行星,这名高中生功不可没

这是一张艺术插图,显示了TOI 1338系统中的两颗恒星在我们的视平面内彼此环绕运行,构成了一个食双星系统。假想自己身处TOI 1338 b行星上,你就能每15天看到一次“日食”。
图片来源:NASA戈达德航天飞行中心/高校空间研究协会(Universities Space Research Association,USRA)的克里斯•史密斯(Chris Smith)

2019年夏天,沃尔夫•库基尔(Wolf Cukier)在纽约斯卡斯代尔高中(Scarsdale High School)完成了他的高三学习后,以暑期实习生的身份加入了美国航空航天局(NASA)位于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天飞行中心(Goddard Space Flight Center)。实习期间,他的工作是查看NASA的系外行星凌星巡天卫星“苔丝”(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)拍下的恒星亮度变化数据,并将排查后的结果上传至“行星猎人苔丝”(Planet Hunters TESS)公民科学项目中。

“我一直在查看所有被志愿者标记成食双星(eclipsing binary)的数据,在食双星这种特殊的系统中,两颗恒星互相环绕运行,并且从我们的角度来看两者的轨道都会使彼此相食。”库基尔说道,“实习了大约三天之后,我观察到了一个名为TOI 1338的系统的亮度变化信号。起初,我以为这是一次恒星相食,但发现时机不对,后来才查出是有一颗行星存在。”

借助NASA的系外行星凌星巡天卫星“苔丝”的数据,研究人员发现了该任务的第一个环双星行星,即环绕双星运转的行星。这颗行星被命名为TOI 1338 b,体积大约比地球大6.9倍,也就是大小介于海王星和土星之间。它位于绘架座方向距离地球1300光年的一个双星系统中,系统中的两颗恒星伴星在我们的视平面内相互环绕运行,形成了食双星,其中一颗恒星的质量大约比我们的太阳重10%,而另一颗恒星则温度更低、亮度更暗,质量也只有太阳的三分之一。TOI 1338 b的公转时间并非恒定不变,由93天至95天不等(由于系统中恒星的轨道运动,它公转的程度和持续时间一直在变化)。“苔丝”只能观察到TOI 1338 b运行到较大恒星前方时产生的亮度的变化,对于较小恒星的凌星现象则因过于微弱而无法检测到。至少在未来一千万年内,TOI 1338 b的公转轨道都是稳定的,但是,公转轨道与我们视平面的夹角会有很大的变化,以至于2023年11月之后,在我们看来TOI 1338 b行星的凌星现象将会停止,然后在8年后也就是2031年恢复。
视频来源:NASA戈达德航天飞行中心

这颗特别的行星如今被命名为TOI 1338 b(TOI意为“苔丝”感兴趣的对象,即TESS Object of Interest),是“苔丝”发现的第一个环双星行星(circumbinary planet),即一个绕两颗恒星公转的世界。1月6日星期一,在夏威夷火奴鲁鲁举行的美国天文学会(American Astronomical Society,AAS)第235次会议上,天文学家聚在一起共同探讨这项新的发现。库基尔作为共同作者,与来自戈达德航天飞行中心、圣地亚哥州立大学(San Diego State University)、芝加哥大学(University of Chicago)以及其他机构的科学家合作完成的一篇论文已向学术期刊投稿。

TOI 1338系统位于绘架座(Pictor)中,距离地球大约1300光年。系统中两颗恒星互为绕转运行的周期为15天。其中较大的那额恒星质量大约比我们的太阳大10%,而另一颗恒星则温度更低、亮度更暗,质量也只有太阳的三分之一。

TOI 1338 b是系统中唯一已知的行星,体积大约比地球大6.9倍,也就是大小介于海王星和土星之间。TOI 1338 b在与两颗恒星几乎在完全相同的平面内运行,因此会经历规律性的的恒星食。

“苔丝”载有四台相机,每台相机每隔30分钟就会拍摄天空中一片特定区域的全帧图像,一直持续拍摄27天;利用这些观测所得的结果,科学家得出了恒星亮度随时间变化的曲线图。从我们地球的角度来看,当一颗行星运行绕过恒星前方时,也就是发生了所谓的凌星(transit)现象,星体的阻挡会导致恒星亮度的明显下降。

但是,相比只绕一颗恒星运行的行星,绕着两颗恒星运行时的凌星现象更难被检测到。TOI 1338 b的公转时间并非恒定不变,由93天至95天不等(由于系统中恒星的轨道运动,它公转的程度和持续时间一直在变化)。“苔丝”只能观察到TOI 1338 b运行到较大恒星前方时产生的亮度的变化,对于较小恒星的凌星现象则因过于微弱而无法检测到。

“这些信号类型对于算法而言是非常棘手的,”论文的主要作者维斯林•科斯托夫(Veselin Kostov)说道,“但是人眼则非常擅长查找这种数据模式,尤其是非周期性的模式,例如我们从这些系统的凌星现象中看到的模式。”科斯托夫是地外文明探索研究所(Search for ExtraTerrestrial Intelligence Institute,SETI Institute)和戈达德航天飞行中心的一名研究科学家。

这就解释了为什么库基尔必须“亲眼”检查每个可能存在的凌星。例如,他最初认为TOI 1338 b的凌星是系统中较小恒星运行通过较大恒星前方的结果,毕竟这两种情况都会导致相似的恒星亮度下降;但是,对于双星系统应该有的相食来说,亮度下降的时机并不合理。

在辨认出TOI 1338 b之后,研究团队使用了一个名为“埃莉诺”(eleanor)的软件包,来确认这些凌星现象是真实存在的,而非人工制造的器件导致的。埃莉诺软件包的命名来自埃莉诺•爱罗薇(Eleanor Arroway)的名字,她是著名的美国天文学家、天体物理学家、宇宙学家、科幻作家卡尔•萨根(Carl Sagan)唯一的长篇科幻小说《接触》(Contact)里的核心主角,这部科幻小说后来被拍成了一部悬疑科幻片,名为《超时空接触》(Contact)。

“通过所有拍摄到的图像,‘苔丝’正监控着上百万颗恒星,”论文的共同作者、芝加哥大学的研究生阿迪娜•费恩斯坦(Adina Feinstein)说道,“这就是我们团队创建埃莉诺软件包的原因,它是一种对凌星数据进行下载、分析和可视化便捷方式。在设计之初,我们着眼的对象只是行星,但团队里的其他成员也用它来研究恒星、小行星甚至是星系。”(你可以在https://adina.feinste.in/eleanor/ 找到埃莉诺软件包的下载和使用指南)

研究人员早已从地面上利用径向速度测量对TOI 1338系统进行了研究,这种测量方式可以测出系统沿我们视线方向的运动数据。借助这些已有的档案数据,科斯托夫的团队对TOI 1338系统进行了分析,并最终确认了行星的存在,并且得出结论:至少在未来一千万年内,TOI 1338 b的公转轨道都是稳定的,但是,公转轨道与我们视平面的夹角会有很大的变化,以至于2023年11月之后,在我们看来TOI 1338 b行星的凌星现象将会停止,然后在8年后也就是2031年恢复。

此前,NASA的开普勒太空望远镜(Kepler Mission)和K2任务就在10个系统中发现了12个环双星行星,都类似于TOI 1338 b。科斯托夫表示,对双星系统的观测总是更容易找到体积更大的行星,因为较小星体的凌星对恒星亮度的影响不会很大。研究人员预计,在最初两年的任务中,“苔丝”将观测到成千上万的食双星系统,也就意味着更多像这样的环双星行星将会被发现。

“苔丝” 是NASA天体物理学探索者计划(Astrophysics Explorer)中的一项任务,由位于马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院(MIT)领导和运行,由NASA戈达德航天飞行中心管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯洛普•格鲁门公司(Northrop Grumman)、NASA位于加州硅谷的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)、位于马萨诸塞州剑桥市的哈佛 – 史密森天体物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)、麻省理工学院林肯实验室(Lincoln Laboratory),以及位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所(Space Telescope Science Institute),来自全世界的十几所大学、研究所和观察站参与了这项任务。

参考来源:
https://exoplanets.nasa.gov/news/1619/discovery-alert-high-school-student-finds-a-world-with-two-suns/

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南曦 邓

This high school student is very good.