行星“HAT-P-67b”是已知直徑30萬6000km、最大且接近理論極限的行星

5月22日(星期四) 11:02發(fā)布

HAT-P-67b的想象圖。 ( Credit: NASA )

“宇宙中直徑最大的行星是什么？ ”這個(gè)問題應(yīng)該怎么回答呢？ 像木星一樣的巨大氣體行星但是，被恒星的熱量烘烤而膨脹的“熱皮塔”是對(duì)問題回答的有力候選人來刪除它。這么有趣！ ！ 太陽系外行星世界約翰·霍普金斯大學(xué)的Gavin Wang先生等的研究小組根據(jù)追加的觀測(cè)結(jié)果，對(duì)2017年發(fā)現(xiàn)的、其巨大的太陽系外行星“HAT-P-67b”進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 結(jié)果，測(cè)量出HAT-P-67b的直徑約為30萬6000km，約為木星的2.140倍，地球的23.99倍。 這比2017年當(dāng)時(shí)的測(cè)量結(jié)果更大，確實(shí)是被分類為行星的天體中“已知的直徑最大的行星”。

行星能有多大？

在太陽系中，直徑最大的行星是木星，其直徑為14萬2984km(※1 )，約為地球的11.2倍。 據(jù)推測(cè)，在木星的中心，有一個(gè)直徑和地球差不多的巖石核，因?yàn)槭窃谄渲車罅繗怏w的“巨大氣體行星”，所以才這么巨大。 另外，對(duì)于沒有固體表面的巨大氣體行星，將氣壓達(dá)到1個(gè)大氣壓的高度作為直徑的定義。 那么，宇宙中有比木星更大的行星嗎？ 有人認(rèn)為，假設(shè)向木星添加氣體，內(nèi)部也會(huì)被壓縮，只會(huì)變得更高密度，直徑幾乎不會(huì)增加，或者反而會(huì)縮小。 在這樣低溫的巨大氣體行星的情況下，約17萬2000km (是木星的1.2倍)被認(rèn)為是直徑的極限。 但是，在恒星極端附近公轉(zhuǎn)的巨大氣體行星“熱朱庇特”的情況下，從恒星接收的熱量會(huì)膨脹，可以超過低溫時(shí)的極限。 大氣過度膨脹的話，將無法通過重力留住分子，因此大氣會(huì)流出。 也就是說，人們認(rèn)為熱朱庇特有直徑的極限。 目前，包括熱朱庇特在內(nèi)的行星直徑的理論極限被認(rèn)為約為31萬5000km (是木星的2.2倍)，該極限值在觀測(cè)上也得到了顯示(※2 )。

最大的行星候補(bǔ)“HAT-P-67b”

在已知的行星中，直徑最大的候選行星之一是2017年發(fā)現(xiàn)的“HAT-P-67b”。 距離地球約1210光年的這顆太陽系外行星，在距離恒星“HAT-P-67”僅約940萬km的地方以約4天19小時(shí)的周期公轉(zhuǎn)。 因此，HAT-P-67b被歸類為表面溫度加熱到1500℃以上的熱焦耳。 從地球的角度看，HAT-P-67b有時(shí)會(huì)通過恒星的前面。 橫穿期間，恒星的亮度會(huì)減少被行星遮住的部分，因此根據(jù)這個(gè)變化可以知道行星的面積(投影面積)，根據(jù)面積可以知道直徑。 這個(gè)“渡越法”是能夠高精度地知道遙遠(yuǎn)的太陽系外行星直徑的重要手段。 2017年觀測(cè)時(shí)，測(cè)量出HAT-P-67b的直徑約為29萬8100km (木星的約2.085倍，地球的約23.4倍)。 但是HAT-P-67b的情況下，橫穿的恒星HAT-P-67被稱為f型準(zhǔn)巨星，是直徑較大的恒星是個(gè)問題。 如果恒星直徑較大，即面積較大，橫穿恒星前方的行星可以隱藏的面積比例就會(huì)變小，變暗的程度也會(huì)減少。 恒星的亮度變化本來就很微弱，而且還有觀測(cè)誤差，所以與亮度變化相關(guān)的精度會(huì)下降。

HAT-P-67b的估計(jì)直徑更大！

HAT-P-67b、木星和地球直徑的比較圖。 ( Credit: NASA (地球)、NASA & STSCI (木星) /直徑的比較用調(diào)整根據(jù)筆者(彩惠) )

約翰·霍普金斯大學(xué)的Gavin Wang先生等的研究小組進(jìn)行了分析，以確定HAT-P-67b的準(zhǔn)確直徑。 除了發(fā)現(xiàn)HAT-P-67b的“HATNet (匈牙利自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡網(wǎng)絡(luò))”之外，還可以通過美國(guó)的“基特峰國(guó)立天文臺(tái)”和美國(guó)航空航天局的宇宙望遠(yuǎn)鏡“TESS”等地面和宇宙兩個(gè)望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè) 分析結(jié)果表明，HAT-P-67b的直徑約為30萬6000km(30萬2400~30萬9600km )。 不僅精度得到了改善，達(dá)到了木星的2.140±0.025倍(地球的23.99±0.28倍)，而且推測(cè)可能性更大。 在確實(shí)被分類為行星的天體中(※3 )，由于沒有一顆行星的直徑被推測(cè)得比這更大，所以HAT-P-67b成為“已知的直徑最大的行星”。 據(jù)推測(cè)，HAT-P-67b的直徑是木星的2倍多，但質(zhì)量約為木星的0.45倍，不到木星的一半。 因此，HAT-P-67b的平均密度為每立方cm約0.061g，密度極端低，可以說比天鵝糖稍高。 熱粉撲中密度極低的被稱為“Super-puff”，而HAT-P-67b在super粉撲中的密度也只有五指那么低(※4 )。

HAT-P-67b看起來很大也許是運(yùn)氣好吧？

從某種意義上來說，能觀測(cè)到HAT-P-67b這個(gè)直徑幾乎是地球2.4倍的超巨大行星也許是幸運(yùn)的事情。 實(shí)際上，HAT-P-67b的直徑是相當(dāng)接近理論行星直徑極限的值。 據(jù)觀測(cè)，無法通過重力連接膨脹到如此程度的大氣，HAT-P-67b的大氣實(shí)際上正在流出。 根據(jù)理論模型，預(yù)計(jì)HAT-P-67b在大約500萬年內(nèi)大氣就會(huì)蒸發(fā)，只剩下質(zhì)量為地球數(shù)倍到數(shù)十倍的核。 據(jù)推測(cè)，在1億5000萬年到2億5000萬年內(nèi)，HAT-P-67b會(huì)因恒星的潮汐力而破碎，碎片也會(huì)被吞噬。 數(shù)億年在天文學(xué)上是短時(shí)間尺度，所以能夠觀測(cè)到膨脹的HAT-P-67b被認(rèn)為是幸運(yùn)的。 據(jù)推測(cè)，HAT-P-67b誕生于距今約14億6000萬年前，但考慮到目前的狀態(tài)無法持續(xù)下去，推測(cè)HAT-P-67b最近由于某種原因公轉(zhuǎn)軌道縮小，開始在恒星附近公轉(zhuǎn) 由于行星的公轉(zhuǎn)周期約為4天19小時(shí)，與恒星自轉(zhuǎn)周期約為5天10小時(shí)，非常接近，因此也可以推測(cè)行星和恒星之間是否存在某種相互作用。 恒星附近有一顆巨大的行星，這一熱皮塔的形成過程至今仍被許多謎團(tuán)籠罩著。 HAT-P-67b可能為熱朱庇特的形成過程和最終命運(yùn)提供了難得的時(shí)機(jī)快照。

注釋※1…14萬2984km這個(gè)值，準(zhǔn)確地說是木星的赤道直徑。 平均直徑為13萬9822km，約為地球的11.0倍。 在行星科學(xué)領(lǐng)域，木星半徑經(jīng)常被用作單位，但由于其值是木星的赤道半徑，所以本文引用了赤道上的值。 ※2…誕生后不久的行星因重力引起的收縮不充分，所以有時(shí)也會(huì)被聲稱有超過這個(gè)極限大小的行星。 但是，該測(cè)量結(jié)果與行星周邊存在的塵埃和氣體的圓盤的區(qū)別很模糊，圓盤內(nèi)的數(shù)值有時(shí)會(huì)被錯(cuò)誤地引用為“行星的直徑”。 另外，估計(jì)質(zhì)量為木星的1.3倍，超過行星上限的東西也不少見。 ※3…可能超過hat-p-67b直徑的天體，直徑?jīng)]有直接測(cè)量，或者質(zhì)量超過了木星的1.3倍。 超過這個(gè)質(zhì)量的話，一般會(huì)被分類為具有其他性質(zhì)的天體，叫做“棕矮星”，而不是行星。 ※4…論文中將HAT-P-67b說明為“密度僅次于WASP-193b的第二低行星”，作為密度更低、觀測(cè)精度也高的例子，請(qǐng)參照“開普勒51d”眾所周知。 由于不清楚論文中沒有列舉這個(gè)行星的理由，所以本文沒有涉及它是第幾個(gè)。 參考文獻(xiàn)來源Gavin Wang，et al." a revised density estimate for the largest known exo planet，HAT-P-67 b”.(arXiv ) G. Zhou， “hat-p-67b:an extremely low density Saturn transiting an f-sub giant confirmed via Doppler tomography”. ( the astrononomical journal ) xing Wei .“why hot jupiters can be large but not too large”. ( monthly notices of the royal astronomical society )

sorae編輯部