罕見的系統
在大約 100 光年之外的後發座北部,有一顆與太陽相似的恒星,名爲 HD110067。2020 年,系外行星捕手 TESS(淩星系外行星巡天衛星)探測到 HD110067 的亮度下降,這表明有行星在這顆恒星面前經過,或者說發生了淩星事件。研究人員對數據進行初步分析後發現,應該有兩顆系外行星繞這個恒星運行,其中一顆的公轉周期爲 5.642 天,另一顆的公轉周期未知。
兩年後,TESS 再次對這顆恒星進行了觀測。在對更多的數據進行分析後,研究人員推翻了最初的結論。雖然與最初的分析結果相比,新結果的确定性要高得多,但仍有很多數據是難以解釋的,這也引起了芝加哥大學的 Rafael Luque 等天文學家的興趣。爲了揭示更多細節,他們決定求助于另一個空間任務—— CHEOPS(系外行星特性探測衛星)。
在 CHEOPS 的幫助下,天文學家最終揭示了一個擁有六顆系外行星的罕見系統。這是一項極有意義的發現,因爲這六顆行星以一種特殊的規律在宿主星的近距離軌道處運行,它們的軌道結構表明,這個多行星系統自 10 多億年前形成以來,基本沒有發生過改變。研究結果發表在近期的《自然》雜志上。
通過以固定的時間間隔追蹤兩顆相鄰行星的軌道周期的聯系,可以創造出每兩顆相鄰行星之間的獨特模式。HD110067 系統中的六顆處于軌道共振的行星,一起創造了一個迷人的幾何圖案。(圖 /Thibaut Roger/NCCR PlanetS, CC BY-NC-SA 4.0)
共振鏈
在搜尋過程中,TESS 任務是一點一點地掃描整個天空,尋找短周期的系外行星;而 CHEOPS 則是一項有針對性的任務,它每次隻關注一顆恒星,因此精确度很高。
從 TESS 衛星對 HD110067 的觀測數據中,可以确定兩顆被稱爲 "b" 和 "c" 的帶内行星,其軌道周期分别爲 9.114 天和 13.673 天。通過結合 CHEOPS 的數據,第三顆行星的謎底浮出水面:研究人員發現,還有一顆公轉周期爲 20.519 天的行星 d。
就在這時,研究人員意識到,HD110067 的三顆帶内行星,b、c、d,處于軌道共振:最外層行星的公轉周期大約是第二顆的 1.5 倍,而第二顆的公轉周期又幾乎是最内層的 1.5 倍,因而形成了 3:2、3:2 的共振鏈。當最内層的行星圍繞恒星公轉 9 圈時,第二顆行星公轉 6 圈,第三顆行星公轉 4 圈。
HD1100067 的軌道結構
于是,研究人員開始思考,是否還有其他行星可能也是這個共振鏈的一部分。他們通過結合 TESS 和 CHEOPS 中剩下的無法解釋的數據,最終發現了這個系統中的其他三顆行星。研究人員計算出,這 6 顆行星處于 3:2、3:2、3:2、4:3、4:3 的共振鏈中,并預測出三顆帶外行星,e、f、g 的軌道周期分别爲 30.793 天、41.058 天和 54.743 天。
所有六顆行星相對于行星 c 一年的軌道運動。由于這六顆行星處于精确的軌道共振,因此每顆行星的軌道都緊密相關。行星 c 繞 HD110067 旋轉 360°,行星 b 就旋轉 540°,行星 d 旋轉 240°,行星 e 旋轉 160°,行星 f 旋轉 120°,行星 g 旋轉 90°。(圖 /Dr. Hugh Osborn)
意義重大的發現
在已發現的 5000 多顆系外行星中,共振并不罕見,多行星系統也不罕見,罕見的是找到能夠維持住這種共振的行星系統。
這是因爲,雖然恒星周圍的行星往往是在共振中形成的,但這種共振很容易受到幹擾。一顆非常大的行星,一顆經過的恒星,或者一次巨大的撞擊事件,都可能破壞這種岌岌可危的共振。因此,天文學家所知的大多數多行星系統并沒有共振。
研究人員表示,隻有大約百分之一的多行星系統能維持這種共振,而 HD110067 就是其中之一,它向我們展示了一個未受影響的行星系統的原始結構。這是十分罕見且具有重要意義的。通過這些軌道共振的多行星系統,天文學家可以獲悉許多有關于行星系統的形成和演化的信息。
HD110067 是已知最亮的擁有四顆以上行星的多行星系統,由于這些行星的大小都介于地球與海王星之間,且可能具有延伸的大氣層,這使得它們成爲使用韋布空間望遠鏡等空間任務來研究其大氣成分的理想候選。
參考來源:
https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Cheops/ESA_s_Cheops_helps_unlock_rare_six-planet_system
https://mediarelations.unibe.ch/media_releases/2023/media_releases_2023/an_astronomical_waltz_reveals_a_sextuplet_of_planets/index_eng.html
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06692-3