宇航員已經(jīng)在太陽系中發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)奇怪的外星球。這個(gè)外星球十分古怪，因?yàn)樗拇笮〗橛诘厍蚝秃Ｍ跣侵g，然而它的密度卻比海王星大50%以上。
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宇航員之前已經(jīng)在其他太陽系發(fā)現(xiàn)了“膨脹行星”?！芭蛎浶行恰钡拿芏仁堑厍蛎芏鹊膸妆?，但是它的半徑卻比海王星的半徑還要大。但是這次發(fā)現(xiàn)的行星和“膨脹行星”剛好相反。它的密度超過了海王星，但是他也有更小的半徑。超級(jí)密度，而不是超級(jí)膨脹。
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這顆奇怪的行星的發(fā)現(xiàn)正質(zhì)疑著以往人們對(duì)行星形成的理解。天文學(xué)家和美國(guó)國(guó)家基金會(huì)NOIRLab研究了這顆行星并將結(jié)果發(fā)表在題名：“The?Habitable-zone?Planet?Finder?Reveals?A?High?Mass?and?a?Low?Obliquity?for?the?Young?Neptune?K2-25b.”（宜居帶行星探測(cè)器發(fā)現(xiàn)一顆高質(zhì)量、低傾角海王星狀行星K2-25b）的論文上。該文的第一作者是Gudmundur?Stefansson，是普林斯頓大學(xué)的一名博士后研究員。
這篇論文將發(fā)表在The?Astronomical?Journal雜志，并可通過arxiv.org獲取。開普勒計(jì)劃于2016年發(fā)現(xiàn)了這顆行星，它正圍繞著Hyades星團(tuán)中的一顆M矮星運(yùn)行，圍繞周期是3.5天。根據(jù)這篇研究，K2-25b的質(zhì)量是地球的24.5倍，半徑卻只是地球的3.4倍。在研究介紹部分，作者寫道：“這些特性就猶如一個(gè)巖石的內(nèi)核被一層薄薄的氫-氦包裹（質(zhì)量比5%）”
K2-25b在Hyades星團(tuán)中圍繞其主星運(yùn)行。圖片來源：NOIRLab/NSF/AURA/Digitized?Sky?Survey?2
這顆行星引起天文學(xué)家的興趣的原因部分是K2-25b是一顆次海王星。次海王星比海王星有更大的質(zhì)量和更小的半徑，就如K2-25b；或者有相對(duì)較小的質(zhì)量和較大的半徑。無論是哪一種，次海王星的存在違背了當(dāng)前關(guān)于行星形成的理論。目前在系外行星研究前沿，理解這類行星的形成依然是一個(gè)難題?！癒2-25b不尋常！”研究領(lǐng)隊(duì)-普林斯頓博士后研究員Gudmundur?Stefansson在新聞稿中說，“與其他距離主星很近的年輕次海王星相比，它比相近大小、年齡的行星都密集”?！巴ǔ＿@些行星密度較低?—一些甚至有膨脹的氣體層。而現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)看來，K2-25b似乎有著一個(gè)密實(shí)的巖石核心或者富水核，以及一層薄薄的氣體層?！?/p>
天文學(xué)模型表明大行星首先形成巖石核心，最初的核心質(zhì)量是適中的，可能只是地球的5到10倍。之后氣體聚集在核心周圍，形成一個(gè)氣體包裹層，其質(zhì)量為地球的數(shù)百倍。氣態(tài)巨行星木星就是以類似的方式形成的。
但是K2-25b行星的出現(xiàn)卻表明我們的理解還是不足的。K2-25b有一個(gè)巨大的大質(zhì)量巖石核心，且僅有微小的氣體層。這個(gè)非同尋常的特性引出了幾個(gè)問題：他如何形成一個(gè)巨大的巖核？既然有如此高質(zhì)量的核心，為什么卻沒有形成大量的氣體層？
?圖為一個(gè)原行星盤，行星從新生恒星周圍的剩余物質(zhì)中聚集形成，一個(gè)巖心首先形成然后吸引氣體形成氣體包裹層；K2-25b卻有所不同，它有一個(gè)大質(zhì)量的巖心和較小的氣體層。圖片來源于：NASA/JPL-Caltech/T.?Pyle?(SSC)。但是我們卻不完全理解K2-25b以及類似的行星是如何形成的，K2-25b是研究這類行星的天然對(duì)象?！拌b于已知其年齡和明確的軌道參數(shù)”，論文作者說，“K2-25b是研究M矮行星形成和后續(xù)動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)體系，使我們對(duì)其他系外類海王星的產(chǎn)生和遷移有進(jìn)一步的了解”
考慮到它的大核心，它應(yīng)該形成一個(gè)巨大的氣體包裹層。然而事實(shí)并非如此，原因有幾種可能。作者認(rèn)為一種可能是巖心是通過合并形成，“如何解釋它的大質(zhì)量這一點(diǎn)，我們推測(cè)K2-25b?可能是許多小行星內(nèi)核合并的產(chǎn)物，從而形成了一個(gè)大質(zhì)量行星?！?/p>
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文章中的這幅圖描繪了K2-25b、其他系外行星以及太陽系行星的質(zhì)量半徑平面圖。紅色曲線是根據(jù)已知行星形成模型中巖核和氫氦氣體層數(shù)據(jù)繪制，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參見研究。圖來源于：?Stefansson?et?al,?2020.這種解釋也有助于解釋行星軌道偏心率的形成，作者寫道：“如此的動(dòng)態(tài)環(huán)境會(huì)使?K2-25b軌道更傾向于偏心軌道，K2-25b也可能正通過與恒星的潮汐作用遷移到更短的周期軌道上?！?/p>
像這樣的發(fā)現(xiàn)常常是科技進(jìn)步的結(jié)果，在歐洲南方天文臺(tái)超大型望遠(yuǎn)鏡像SPHERE（球體）這樣的儀器，為最近的許多發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)。但在這種情況下，是值五百美元可現(xiàn)貨供應(yīng)的傳播器使得這項(xiàng)科技成為可能。首席研究者Gudmundur?Stefansson在他的博士論文中運(yùn)用了一種方式，即使用工程化的傳播器。
圖片來源:Gudmundur?Stefansson/RPC光子學(xué)
工程擴(kuò)散器將來自恒星的光擴(kuò)散開來，使它可覆蓋相機(jī)上更多的像素點(diǎn)。這樣可以更精確的測(cè)量行星經(jīng)過時(shí)恒星的亮度，從而更精確的測(cè)量沿軌道運(yùn)行的行星的大小以及其他參數(shù)。參與這項(xiàng)研究的來自NOIRLab的天文學(xué)家Jayadev?Rajagopal說：“這個(gè)創(chuàng)新的擴(kuò)散器使我們能夠更好的定義凌日的形狀，從而進(jìn)一步限制行星的大小、密度和組成成分?！?/p>
K2-25b給天文學(xué)家提出了一些重要的問題。對(duì)于這些問題的答案將不得不等待，但可能不會(huì)等太久。K2-25b是James?Webb太空望遠(yuǎn)鏡后續(xù)觀測(cè)的主要候選對(duì)象。James?Webb太空望遠(yuǎn)鏡將配備可以阻擋太陽外光線的強(qiáng)大日冕儀，使其更容易看到在軌道運(yùn)行的行星。它還會(huì)用紅外線進(jìn)行觀測(cè)，這是它位于L2上的優(yōu)勢(shì)。
雙子座南望遠(yuǎn)鏡的GHOST（雙子座高分辨率光學(xué)攝譜儀）也將K2-25b列于它的目標(biāo)清單上。據(jù)該網(wǎng)站介紹，這是一個(gè)具有“在高觀測(cè)效率上廣泛同步波長(zhǎng)覆蓋”的攝譜儀。它對(duì)于觀測(cè)類似K2-25b的行星的大氣層非常有效。
用GUOST和JWST得到的觀測(cè)結(jié)果也許不能回答K2-25b所提出的關(guān)于行星形成的全部問題。但是他們可以擴(kuò)展我們對(duì)于K2-25b所知以及所不知的界限。同時(shí)，也許更多的天文學(xué)家將會(huì)提出低成本的方法來解決這些問題。
這臺(tái)攝譜儀和基特峰國(guó)家天文臺(tái)(KPNO)的WIYN0.9米的望遠(yuǎn)鏡同時(shí)使用使得這項(xiàng)研究更加有效。位于新墨西哥州阿帕奇波因特天文臺(tái)(APO)的3.5米的望遠(yuǎn)鏡也是這項(xiàng)研究的一部分。國(guó)家紅外光學(xué)天文研究實(shí)驗(yàn)室(NOIRLab)包括雙子星天文臺(tái)，基特峰天文臺(tái)以及一些其他設(shè)施和即將到來的維拉·魯賓天文臺(tái)。
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作者：EVAN?GOUGH
FY：Astronomical?volunteer?team
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