介绍
当帕多瓦大学的数学家伽利略·伽利雷(Galileo Galilei)将自己发明的望远镜对准天空时,他被所看到的景象惊呆了——除了猎户座中熟悉的三颗恒星外,猎户座中还有 500 多颗新恒星。腰带和六剑。
500 月,天文学家使用詹姆斯·韦伯太空望远镜放大了剑中的一颗中间恒星,并发现了另外 1610 个左右以前未见过的斑点。 这些世界是如此之小和昏暗,以至于模糊了恒星和行星之间的界限。 这种模糊性一直困扰着伽利略,他在 XNUMX 年天文学论文的同一页中将木星的卫星既称为“恒星”又称为“行星”,并且至今仍然困扰着天文学家。
“当我们观察太阳系时,它一切都美好而整洁。 你得到太阳,你得到行星,”说 塞缪尔·皮尔逊,欧洲航天局(ESA)的天文学家。 中间什么都没有。 但“当你真正去看一看时,”皮尔森说,“你会意识到存在各种各样的[物体,其质量]基本上介于两者之间。”
詹姆斯韦伯太空望远镜的观测结果支持了越来越多的孤立物体的目录,这些物体占据了巨大行星和微小恒星之间的灰色地带。 这些孤独的世界有时被称为“自由漂浮”或“流氓”行星,在太空中自由漂移。 虽然天文学家可以估计这些暗木星质量的气球的质量,但它们的起源仍然是个谜。 它们真的是行星吗——曾经绕恒星运行但不知何故被吐出来的“木星”? 或者它们更像是未能点燃的微星?
詹姆斯韦伯太空望远镜的观测并没有回答这个问题,而是增加了这个谜团:望远镜的红外眼发现,数十个世界似乎成对地彼此绕轨道运行——这是一种令人费解的排列,如果得到证实,将超出预期。
介绍
“我们错过了一些东西,”说 尼恩克·范德马雷尔荷兰莱顿天文台研究行星形成的研究员,“但我们不知道它是什么。”
这些不可能的二重奏无法用任何已知的恒星或自由漂浮行星的形成理论轻易地解释。 但在 JWST 宣布后的一周内,研究人员发表了一个大胆的新想法,描述了巨行星如何成对地从它们的母系统中弹出——大多数研究人员认为这是不可能发生的事情。 该提议是否能够完全解释整个昏暗无星世界的动物园还有待观察。 但研究人员预计,对自由漂浮世界以及创造它们的恒星系统的深入了解即将到来。
“如果[这一发现]确实得到证实,”说 彼得·普拉夫坎乔治梅森大学的天体物理学家没有参与木星对的探测,“这将真正具有开创性。”
黑暗世界无处不在
几个世纪以来,自由漂浮的世界一直没有引起天文学家的注意,因为它们极其黑暗。 为了融合氢并发出明亮的光芒,恒星的质量至少需要是木星的 80 倍。 Rogue 世界要轻得多,通常定义为重量小于 13 颗木星。 (任何 13 到 80 颗木星之间的物体都可以融合较重的氢变体,被归类为褐矮星,或者天文学家有时浪漫地称之为“失败的恒星”)。
事实上,自由漫游的行星相对不可见,曾经促使一些天体物理学家怀疑是否有足够的这些物体来解释暗物质——似乎将星系聚集在一起的不明质量。 这个问题促使天文学家在 1990 世纪 XNUMX 年代寻找此类世界的迹象,他们通过寻找它们的引力以何种微妙的方式扭曲他们所经过的恒星的外观来做到这一点。 这些“微透镜”调查的间接性质不太适合识别单个自由漂浮的物体,但它们表明,那里没有足够的东西来构成暗物质。
第一张流氓世界的图像出现在 2000 年代,当时天文学家发现 一些 对象 仍然因形成时的热量而发出红外光。 根据这些观察,出现了一个可能的起源。 2010 年,天体物理学家包括 肖恩·雷蒙德 法国波尔多大学的科学家模拟了行星系统的演化,发现当一颗气态巨行星将其兄弟姐妹从其母系系统中踢出时(有时会发生这种情况),驱逐 延长幸存者的轨道 成一个椭圆。 天文学家已经看到了这些倾斜的轨道,雷蒙德的小组和其他研究人员将其解释为过去行星际创伤的伤痕。
第一个大量的自由漂浮世界目录不是来自行星猎人,而是来自寻找比褐矮星更轻的类星体的恒星猎人。 努里亚·米雷特·罗伊格 维也纳大学和 埃尔维·布伊 波尔多大学的研究人员正在天蝎座寻找最矮的褐矮星,天蝎座拥有一个产生大量恒星和行星的气体星云。 在 26 张图像中超过 80,000 万个红外光点中,他们在 20 年的观察中寻找在视野中移动的微弱发光物体。 2021 年,他们宣布发现了大约 100个候选对象 4 到 13 个木星质量——使已知的流氓世界数量增加了约五倍。
由于需要分析的不仅仅是少数自由漂浮的物体,研究人员可以开始询问有关这些世界从何而来的基本问题。 一种可能性是,它们是由围绕新生恒星的盘状碎屑聚合而成的,就像行星一样。 然后,与邻居的一次偶然相遇将他们驱逐了出来,就像雷蒙德 2010 年的模拟那样。
第二种可能性是,当氢和氦的孤立云变得足够稠密并塌缩成球时,它们是单独形成的。 这就是恒星诞生的方式,这将使这些世界不再像行星,而更像银河系最小的褐矮星。
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米雷特·罗伊格和布伊得出的结论是,他们的候选人可能包含以这两种方式形成的世界。 最轻的物体可能是被抛射的行星,尽管天文学家发现了太多这样的物体,无法仅使用行星抛射模型来轻松解释。
“有许多自由漂浮的行星,”米雷特·罗伊格说,“它们可能是通过不同的机制形成的。”
两种起源似乎都有可能混合在一起。 但研究人员无法确定这 100 个自由漂浮的世界中有多少是行星,有多少是恒星。
Miret Roig 和 Bouy 发布结果三天后, 智威科技推出,以及自由漂浮行星狩猎的新时代。
木星的水滴
天文学家曾怀疑 JWST 将是一台自由漂浮的行星寻找机器。 它远离地球大气层的干扰黑暗。 它的巨型镜子使它比它的前身哈勃太空望远镜对宇宙的精细特征更加敏感。 它还能接收红外光,这使得它非常适合发现微弱发光的世界。
培生合作伙伴 马克麦考林欧空局天文学家,比以前更深入地寻找自由漂浮的世界。 他们对恒星形成和行星形成着迷,并希望瞄准两者之间“混乱的灰色区域”中的物体(例如褐矮星)。 皮尔森说,在那里,“你会看到两个世界的交叉点。” 2022 年 35 月,皮尔逊和麦考林将太空望远镜旋转到猎户座腰带上悬挂的剑中的一颗中心恒星。 XNUMX小时。
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Pearson 花了几个月的时间来调整最终的 12,500 猎户座星云的 JWST 图像,逐个像素。 这项艰巨的任务因望远镜的高灵敏度而受挫:许多通常用作地标的微弱物体使 JWST 的超灵敏眼睛失明。
“通常很难看到的褐矮星正在抹掉探测器的碎片,”他说。 “这是我使用任何其他望远镜都没有遇到过的问题。”
完成宇宙马赛克之后,皮尔逊得到了他所寻找的大量神秘世界的回报:猎户座星云上散布着 500 多个来自木星质量的自由漂浮物体。 但真正令人惊讶的是,当他仔细观察时,他看到了一些起初没有多大意义的东西。 一些光斑是成对的木星质量物体。 他总共数出了 42 对旋转的木星——这是一个惊人的数字。
“等一下,为什么这些微弱的东西都是成对出现的?” 皮尔森回忆道,他当时很疑惑。 “然后,我们意识到我们应该非常仔细地看待这个问题。”
从理论角度来看,这对组合似乎几乎是不可能的。 它们不太可能成为被抛掷的行星。 当一颗行星将另一颗行星踢出恒星系统时,被弹出的行星几乎总是独自飞走。 但它们也不可能是恒星,因为它们中的许多重量只有一颗木星那么大,质量太轻,无法直接由坍缩的气体云形成。 该团队将他们的神秘二重体称为“木星质量二元天体”,简称“JUMBO”,并在 预印本 发布于 2 月 XNUMX 日。
JUMBO 让恒星和行星形成方面的专家措手不及。 “这根本没有预料到。 现有的理论中,我们没有预料到会有如此数量的宽阔、自由漂浮的行星物体。” 马修·贝特是埃克塞特大学的天体物理学家,专门研究恒星形成。
天文学家此前观察到,尽管许多大质量恒星与伴星一起在太空中旋转,但耦合恒星的百分比随着它们的质量而下降。 “我们通常预计趋势会持续下去,”范德马雷尔说。 因此,她说,成对的木星质量天体的百分比“应该为零”。 任何人的 JWST 宾果卡上都没有出现过 10% 的涨幅。
问题是至少有一些巨型飞机可能只是海市蜃楼。 物体在尘埃环境中的位置越深(猎户座星云的尘埃极其严重),就越难将其与星云后面的一颗遥远、质量更大的恒星区分开来,而后者预计会有一个伙伴。 在之前的研究中,20% 到 80% 看似自由漂浮的世界最终被证明是普通恒星。 “目前需要谨慎一点,”米雷特·罗伊格说。
今年春天,皮尔逊和麦考林将使用 JWST 再次观察他们的一批自由漂浮的世界,这次是在更丰富的光谱中。 这些后续观测将通过寻找其大气中的甲烷或水的痕迹(木星质量世界的明显特征)来帮助确认哪些巨型行星是真实的。
“一旦获得了光谱,”皮尔森说,“基本上就无处可藏了。”
快速模拟
即使没有得到证实,理论家们也已经在竞相解释这些令人困惑的世界。
罗莎尔巴·佩尔纳石溪大学的天体物理学家在阅读皮尔逊的论文之前就在新闻中听说了猎户座的 JUMBO。 佩纳和 王一涵 内华达大学拉斯维加斯分校的教授一直在研究当一颗恒星飞过另一个太阳系时会发生什么。 他们主要专注于模拟单个巨行星的系统。 但巨型行星让佩纳想知道:如果有两颗巨行星怎么办? 她打电话给王,请他看看如果他将第二颗木星放入模拟中会发生什么。
王制定了他的计划,从各个角度向无数的双木星系统投掷数字恒星。 他还设置了软件,如果“入侵者”恒星将两颗行星一起冲向太空,就会通知他——形成一个巨型行星。 然后他将代码发送到大学的计算集群,然后去吃午饭。
当王回到办公室检查电脑时,他发现了一个警报列表,上面写着“双星形成!!!”
通过数百亿次的模拟,研究小组发现,如果当这颗掠夺的恒星掠过时,两颗行星恰好靠得很近,那么启动木星对就相对容易。 对于轨道间隔紧密的邻居(想想天王星和海王星)来说,这种情况尤其常见。 在这种情况下,20 次喷射中多达 100 次产生了 JUMBO(另外 80 次产生了单行星)——这足以解释皮尔逊在猎户座中看到的 10% 的比率。 但对于轨道间隔较远的行星(例如木星-海王星),几乎所有的抛射都会导致孤独的行星。
根据王同事的意见 朱兆焕,该小组昼夜不停地工作(其中一次是在飞往欧洲的航班期间)。 三人写下了他们的结果 发布了预印本 9 月 XNUMX 日,JUMBO 发现一周后。
“他们写作的速度有点令人恐惧,”皮尔森说。
其他理论天体物理学家尚未完全消化这些新结果,但他们发现这些结果似乎合理且令人惊讶。 “我认为从弹射的角度来看[制造一对自由漂浮的行星]是不可能的,”雷蒙德说。 “但后来这篇论文出来了。”
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尽管如此,恒星入侵者理论的一些细节仍需要进一步研究。 猎户座星云是一个密集的地方,有许多恒星在周围呼啸而过,但它是否足够混乱,足以在几百万年内首先形成太阳系,然后将它们分裂? 此外,皮尔逊和麦考林的许多 JUMBO 都在很远的距离上相互绕转。 它们之间的距离比冥王星与地球之间的距离还要远好几倍。 但根据王的模拟,获得如此广泛间隔的巨型行星的唯一方法是从类似的间隔太阳系开始,而天文学家很少看到这种情况。
贝特说:“通过对年轻恒星的直接成像搜索,我们知道很少有恒星在[宽]轨道上拥有巨大的行星。” “很难接受猎户座中有许多大型行星系统需要破坏。”
流氓对象比比皆是
在这一点上,许多研究人员怀疑有不止一种方法可以制造这些奇怪的中间物体。 例如,经过一些摆弄,理论学家可能会发现超新星冲击波可以压缩较小的气体云,并帮助它们比预期更容易塌陷成对的微小恒星。 王的模拟表明,至少在某些情况下,成对启动巨行星在理论上是不可避免的。
尽管仍然存在许多问题,但过去两年发现的大量自由漂浮世界教会了研究人员两件事。 首先,它们形成得很快——需要数百万年,而不是数十亿年。 在猎户座,气体云已经塌陷,行星已经形成,有些甚至可能被路过的恒星拖入深渊,所有这些都是在现代人类在地球上进化的过程中发生的。
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范德马雷尔说:“对于当前的模型来说,在一百万年内形成一颗行星是很困难的。” “这个[发现]将为这个难题增添另一块。”
其次,外面有很多不受束缚的世界。 重气态巨行星是最难从其系统中驱逐出来的,就像保龄球是最难从台球桌上击落的物体一样。 这一观察结果表明,每发现一个木星,就会有许多自由漂浮的海王星和地球被忽视。
我们很可能生活在一个充满了各种大小的被放逐世界的星系中。
如今,在伽利略对地球天空中无数的光点(卫星、行星和恒星)感到惊叹之后近半个千年,他的继任者们开始熟悉漂浮在它们之间的较暗物体的冰山最亮的一角。 微小的恒星、无星的世界、看不见的小行星、外星彗星等等。
“我们知道明星之间存在着一大堆废话,”雷蒙德说。 这种研究“为所有这些打开了一扇窗户,不仅是自由漂浮的行星,而且是一般自由漂浮的东西。”
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