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随地心引力曲调起舞的六行星系统

简介:天文学家发现一个有趣的恒星系统,这个系统中有6颗行星绕恒星运行,而外5颗行星的运行周期互为简单倍数!当一个行星的周期是一个简单的倍数时,我们说它们处于共振状态。在这种情况下,这是一个共振链,所有外层五个行星都在简单的多个周期内运动。

天文学家已经发现了非凡的太阳系,一个围绕着邻近恒星运行的行星系统。首先,那里至少发现了6颗行星。另外,外部的那五颗行星绕着恒星同步运行,好似舞蹈演员们随着地心引力的有节奏地起舞着。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

优美的TOI-178轨道共振动画截图

这颗恒星被称为 TOI-178,它距离地球200光年,渺小的像一根头发。TOI是TESS Object of Interest的缩写,是一颗外行星勘测人造卫星(TESS又是Transiting Exoplanet Survey Satellite的缩写)检测到的具有候选行星的恒星(使TOI成为一个嵌入缩写的缩写词;这并不重要,但出于某种原因,它们让我崩溃)。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

TESS卫星探测器

当被观测行星直接通过其母恒星前面时,会产生一个迷你的食,我们称之为凌,只有当我们看到轨道边缘时才会发生这种情况。因此TESS去寻找那些周期性的亮度减弱现象来探测行星。除那之外,行星的时期(行星的年份)和它的大小也能被找到 — 更大的行星会阻挡更多的光。

当天文学家分析TESS对TOI-178的观测时,他们发现有6颗行星绕恒星运行,而外5颗行星的运行周期互为简单倍数。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

这些行星通过TOI-178g被命名为TOI-178b(第一个被发现的行星是由恒星的名字加上一个小写字母b命名的)。按照行星和地球的日历计算,行星的周期依次是b= 1.91, c = 3.24, d = 6.56, e = 9.96, f = 15.23, and g = 20.71。

来看看这些数字:d行星绕恒星轨道的运行周期近似c行星的两倍,也就是说c绕恒星转两圈的时间d绕着轨道转一圈。e行星的周期是c的三倍,所以行星c每转3圈,e转一圈。行星f每转2圈,e转3圈。还有,g每转3圈,f转4圈。

当一颗行星有简单倍数的运行周期时(一个数字可以被表示为一个分数和两个整数,比如2/3或者5/4)我们说它们在共振。在这种情况下,这是一个带着所有外5颗行星在简单倍数周期里运行的共振链。

演示动画

这个TOI-178系统的动画展示出一种无论何时外5颗行星中的一颗完成一半或者全轨道的步调,每一颗行星都带有一种不同的步调。因为行星轨道的周期是互为简单倍数的,这种模式有规律地重复。

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我们了解几个这样的系统;加上TOI-178系统数量达到5个。从某种意义上来说,它们的形成是很自然的,也很容易。行星从恒星周围的气体和尘埃盘中形成,当它们的星盘相互作用时,它们的轨道会随之变化。它们倾向于慢慢地靠近恒星。但当这种情况发生时,它们会进入共振模式,并且它们之间的引力相互作用会增强共振。如果一个行星移动太快,外面那颗行星会把它往回拉一点,反之亦然。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

另一方面,当你有一个像这样的五行星在一条链上的模型,那也是一个很易碎的玩意;如果有一颗星球稍微有一点偏离,它都会完全脱离舞蹈轨迹,行星的周期将发生变化,扰乱共振。关于它们是如何形成的,有话这样说道:让它们进入轨道这肯定是一个相对温和的过程。如果这来了个大行星猛拉它们,那就会破坏链条。这颗恒星大概70亿岁,所以这个系统已经稳定了很长一段时间。

我会注意到这些行星是非常接近它们的母恒星的,这就是我们所说的k型星。它们比太阳更小更冷。但它们也离得很近,被恒星灼烤着。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

地球(左)和海王星(右)之间的大小比较

凌也能告诉我们行星的大小。从恒星按顺序来看,行星的大小相对于地球来说依次是b = 1.18, c = 1.71, d = 2.64, e = 2.17, f = 2.38, g = 2.91。它们都比地球大,但比海王星小,所以我们叫它们低端的超级地球和高端的迷你海王星。但是它们全都混在一起。在我们的太阳系中,较小的行星绕最近的轨道运行,大的都较远。不是前面提到的那种混乱的情况。

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奇怪。但还有更多。为了测量这颗恒星的反射速度,天文学家用其它望远镜跟踪了这一发现,这会告诉我们行星的质量(当它们绕着恒星运行时,它们会拉着恒星,那使恒星陷入一个复杂的模式;行星的质量越大,恒星就越难拉住它们)。

如果你计算这些行星的密度(质量除以体积),那就更复杂了。就地球的密度而言(每立方厘米约5.5克,或者说是水密度的5.5倍),按顺序,TOI-178的行星密度为 b = 0.91, c = 0.9, d = 0.15, e = 0.39, f = 0.58, g = 0.19。所以里面的两颗行星比地球的密度低,但是d更低,e比d密度大得多,f密度也比d密度大,然后g更低。这些数据参差不齐。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

描绘了六行星系统围绕恒星TOI-178的作品

密度很重要,因为它会告诉你行星的种类。天然气巨星的密度高达0.2左右个地球的密度,岩石/金属行星跟地球密度相近。我们可以看到它们的顺序是混乱的,跟我们太阳系完全不同。这很难解释,而且告诉着我们一些关于地球是如何形成的信息。我们只是还不知道到底是什么。

随地心引力曲调起舞的六行星系统

我很高兴我们发现的这些系统都跟我们的不同。我本来打算说“奇怪”,但我想知道(原因)。如果一个系统的距离只有200光年远,那意味着像这样的系统是很常见的;如果它们非常罕见,在这么近距离可能性极小。

或许我们也是个奇怪的系统。我认为那也是值得兴奋的。可能我们看起来觉得很正常,那是因为我们已经习惯了,这就是我们观点的基础。

如果那里有道德课,呃,或许我们更应该多听听宇宙的声音。

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