天文学家测量恒星伴星的自旋速率

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NASA / JPL-CALTECH

拍摄太阳系外太阳系外的一颗行星的照片并非易事。行星的母星的光远远超出了行星本身的光线,使行星难以看清。虽然拍摄像地球这样的小型岩石行星的照片仍然不可行,但研究人员通过拍摄大约20个巨型行星状机体的图像取得了进展。这些被称为行星质量同伴的物体比木星更大,远离恒星的眩光轨道,并且年轻到足以让它们的光线充满热量 - 所有这些特性使它们更容易拍摄。

但是仍然有一个大问题:这些行星质量同伴是否真的是行星,还是他们是小而“失败”的恒星,称为褐矮星?布朗矮星的形状就像恒星的气体一样塌陷 - 但它们缺乏用星光点燃和发光的质量。它们可以被发现漂浮在自己的太空中,或者可以发现它们与其他棕矮星或恒星相绕。最小的棕矮星与木星尺寸相似,在绕恒星轨道飞行时看起来就像一颗行星。

利用夏威夷Maunakea的W. M. Keck天文台,加州理工学院的研究人员对这个谜题采取了一种新的方法:他们测量了三个拍摄行星质量同伴的旋转速率,并将它们与小棕色矮星的旋转速率进行比较。这些结果提供了一组新的线索,暗示同伴可能如何形成。

研究生Marta Bryan(MS '14)说,“这些伴随着高质量和广泛分离的伴侣可能已经形成为行星或褐矮星,这是一篇描述”自然天文学“期刊发现的新研究的主要作者。 “在这项研究中,我们想阐明他们的起源。”

行星质量伴侣VHS 1256-1257 b(右下)及其主星(中心)的图像。信用:GAUZA,B. ET AL 2015,MNRAS,452,1677-1683

“这些新的自旋测量结果表明,如果这些物体是远离恒星的巨大行星,它们的性质与最小的褐矮星非常相似,”加州理工学院行星科学教授Heather Knutson说,论文的作者。

天文学家测量了三个行星质量同伴,即ROXs 42Bb,GSC 6214-210b和VHS 1256-1257b的旋转速率或一天的长度。他们在凯克天文台使用一种称为近红外光谱仪(NIRSpec)的仪器来分析来自同伴的光。随着物体在其轴上旋转,从转向我们的一侧的光线转移到较短,较蓝的波长,而从后退一侧的光线转移到较长,较红的波长。这种移动的程度表示旋转体的速度。结果显示,三名同伴的旋转速度在每秒6至14公里之间,与我们太阳系的气体巨星行星土星和木星的旋转速率相似。

对于这项研究,研究人员还包括两个已经测量了旋转速率的行星质量同伴。其中一个βPictoris b的旋转速度为每秒25千米 - 迄今为止测量的任何行星质量体的最快旋转速率。

研究人员将五位同伴的旋转速率与以前测量的小型自由漂浮棕矮星的旋转速率进行了比较。这两个群体的旋转速率范围是难以区分的。换句话说,这些伙伴们正在以自己漂浮的褐矮星同行的速度大约相同的速度绕着自己的轴旋转。

结果表明两种可能性。一个是行星质量伴侣实际上是褐矮星。第二种可能性是,本研究中观察到的同伴是形成的行星,就像行星一样,在围绕恒星旋转的物质盘中形成,但由于尚未理解的原因,物体的旋转速率与棕矮星。一些研究人员认为,新形成的行星和棕矮星都被微型气盘包围,这可能有助于减缓旋转速度。换句话说,类似的物理过程可能会让行星和褐矮星具有相似的旋转速率。

“这是一个自然与培育的问题,”Knutson说。 “行星伴侣是否像棕矮星一样出生,还是他们最终表现得像他们的类似旋转?”

该团队还表示,同伴们的转动速度比预期的要慢。越来越多的行星倾向于通过从周围的气盘中拉出的材料而旋转起来,就像旋转式溜冰者在拉动手臂时增加速度或角动量一样。这些旋转速度相对较慢对象表明他们能够有效地将制动器放在这个旋转过程上,或许通过将这种角动量转移回环绕气盘。研究人员正在计划未来的旋转率研究,以进一步调查此事。

“我们的太阳系外部行星质量体的旋转速率尚未得到充分研究”布莱恩说。 “我们现在才开始将此作为理解行星质量物体形成历史的工具。”

这项名为“年轻行星质量伴随自旋演变的制约因素”的研究由NASA和斯隆研究奖学金计划资助。其他作者还包括加州理工学院的Konstantin Batygin(MS '10,PhD'12),行星科学助理教授和Van Nuys Page Scholar; BjörnBenneke,前加州理工学院,现为蒙特利尔大学;德克萨斯大学奥斯汀分校的Brendan Bowler。

出版物:Marta L. Bryan等人,“年轻行星质量同伴的自旋演化的限制”,自然天文学(2017)doi:10.1038 / s41550-017-0325-8

来源:W. Keck天文台