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新研究表明,约1/4的类太阳恒星会“吃掉”它们的行星
0 ren668 2021年09月22日 加入收藏

图片来源:NASA/蒂姆·派尔(Tim Pyle)

在银河系之中,太阳系的罕见性如何呢?自我们第一次发现绕太阳以外的恒星运行的行星,也就是系外行星(exoplanet)以来,已经过去了近30年的时间,科学家发现,行星系统在银河系中是很常见的,然而其中的许多行星系统与我们的太阳系有很大的不同。

在我们的太阳系中,行星以稳定且近乎圆形的轨迹绕太阳公转,这表明从行星最初形成到如今,它们的轨道没有发生太大的变化;但相反的,许多围绕太阳系外其他恒星运行的行星系统,都有着混乱动荡的过去。

太阳系相对平静的演化历史,为地球生命的繁荣提供了有利条件。在寻找可能拥有生命的外星世界时,如果我们有办法识别出具有类似平静历史的系统,就可以缩小搜寻的目标范围。

一支由意大利、澳大利亚、巴西和美国的研究人员组成的国际天文学家团队,在《自然·天文学》(Nature Astronomy)杂志上发表了一项新研究,解决了上面提到的问题,他们发现:20%到35%的类太阳恒星会“吃掉”围绕自己运转的行星,这个比例最可能是27%。

这表明,至少有四分之一围绕类似太阳的恒星运行的行星系统,都有着非常混乱和纷扰的过去。

混沌历史与双星系统

在几个系外行星系统中,天文学家已经观测到大型或中型行星发生了显着的移动。这些迁移行星的引力也可能扰乱了其他行星的运行轨迹,甚至将它们推入了不稳定的轨道中。

大多数这些动荡不安的系统中,也可能有一些行星已经成为了主星的盘中餐。然而,我们不知道相比像太阳系这样更平和的系统,这些混乱系统的普遍性如何,毕竟安静平和的行星系统的有序架构促生了地球生命的繁荣发展。

双星一般由一团原始星际云同时形成,因此它们通常含有的元素组成完全相同。

图片来源:阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列望远镜 [ALMA,欧洲南方天文台(ESO)/日本国立天文台(NAOJ)/美国国家电波天文台(NRAO)],阿尔维斯(Alves)等人。

就算是利用最精密的天文仪器,我们也很难通过直接研究系外行星系统来解决这个问题,相反,新研究中科学家对双星系统中恒星的化学成分进行了分析。

双星系统(Binary system)由两颗相互环绕的恒星组成,这两颗恒星通常由一团原始星际云同时形成,因此研究人员认为它们应该包含相同的元素组成。

然而,如果系统中有一颗行星落入两颗恒星之一,它就会溶解在恒星的外层大气中,而这就可能引发恒星化学成分的改变,这意味着我们观测到的岩质行星(rocky planet)的主要形成元素,比如铁元素,会比我们平时观测到的要多。

岩质行星的踪迹

通过分析双星系统发射的光谱,研究人员对107个由类太阳恒星组成的双星系统的化学组成进行了检测,由此确定了比伴星(companion star,双星系统中较亮的恒星被称作“主星”,较暗的恒星被称作“伴星”)所含行星物质更多的恒星数量。

研究人员还有3个重大发现,它们加起来足以作为明确的证据,表明在双星系统中两颗恒星间观察到的化学差异是由“吞噬”行星造成的。

首先,研究人员发现外层大气更稀薄的恒星比它们的伴星更有可能富含铁元素,这与“吞噬”行星的效果是一致的,因为当行星物质溶解在较稀薄的外层中时,它会让恒星这层大气的化学成分产生更大的改变。

其次,相比伴星,富含铁元素和其他岩质行星元素的恒星也含有更多的锂元素。锂元素在恒星的形成过程中会很快被破坏,而在行星中则可以存留很久,因此,恒星中的锂含量只会在恒星形成后才可能达到异常高的水平,而这符合行星携带的锂在被恒星“吞噬”后并入恒星组成的假设。

第三,比伴星的铁元素含量更高的恒星,同时也比银河系中类似恒星的铁元素含量更高;然而,这些恒星同时还含有标准丰度的碳,这是一种挥发性元素,因此不会被岩石携带。所以,这些恒星经历了化学富集,来源则是行星或行星物质的岩石。

寻找第二个地球

这些研究结果代表着恒星天体物理学和系外行星探索取得了突破。科学家不仅发现“吞噬”行星可以改变类太阳恒星的化学成分,还发现很大一部分这样的行星系统经历了非常动荡的过去,这有别于我们的太阳系。

最后,这项研究还开启了一个新的可能性,那就是使用化学分析来识别更有可能是真正类似我们平静太阳系的行星系统。

在我们的附近,有数百万颗与太阳相似的恒星,如果我们没有合适的方法来确定最有希望的目标,那么寻找第二个地球就像大海捞针一样困难。

原文作者:

洛伦佐·斯皮纳(Lorenzo Spina)

论文第一作者,意大利国家天体物理研究所(Italian National Institute for Astrophysics)博士后研究员,前澳大利亚莫纳什大学(Monash University)研究人员

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