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HR 8799系統發現第4顆氣體巨行星

  

  HR 8799這顆年輕且飽含塵埃的恆星,距離地球僅約129光年。天文學家在2007年首度觀察到這個行星系統,2008年首度直接拍攝到這個行星系統的影像,影像中包含了這顆恆星所擁有的b、c、d三顆系外行星;而同一批天文學家最近又在HR 8799這顆年輕的恆星旁發現第4顆氣體巨行星,編號為HR 8799e,是4顆行星中最靠近母星的。這個發現將挑戰目前對於行星形成的瞭解。

  來自加州大學勞倫斯利福摩爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL)等機構的天文學家Christian Marois等人,發現的這顆HR 8799e氣體巨行星,質量約為木星的7倍,大約與先前發現的b、c、d近似(b為5倍木星質量,c和d均為7倍木星質量),與中間母恆星的距離約為14.5AU,約在土星軌道()到天王星軌道之間;另3顆已知行星的距離則分別為24、38、68AU。利用凱克II望遠鏡(Keck II telescope),在近紅外自適應光學系統的輔助下,這些天文學家於2009年直接拍到這顆行星的影像,並在2010年測量完其軌道運動。直接拍到系外行星影像的好處是:可以直接檢測這些系外行星的大氣性質,而不必透過母恆星來間接瞭解。

  雖然這個行星系統和我們太陽系很類似,但由於這個行星系統年僅3000萬年而已,與我們太陽系46億的年齡相較之下顯得相當年輕,系統中這4顆氣體巨行星加起來的總質量可能比現今已知的還高20倍左右,系統中的彗星和小行星等小天體密佈且紊亂。事實上,這4顆氣體巨行星彼此間的重力拉扯,已經讓這個系統處在分崩離析的邊緣。

  利用電腦模擬這個系統數百萬年來的演化狀況後,顯示要存活這麼久的時間而不會崩解,3顆比較內側的氣體巨行星的公轉週期如同時鐘一樣具有「共振性」,當最新發現、最靠內側的e繞母星公轉4圈之後,第2近的d剛好公轉2圈,第3顆c則剛好繞完1圈。這種性質曾在木星衛星系統中見過,但但尚未在行星系統這麼大的尺度中觀測到過。而且到目前為止,很少看到系外行星的軌道大於冥王星軌道的,這個系統中居然就有2個大於冥王星軌道。

  從這些行星的公轉,天文學家由電腦模擬估計:如果這些天體不是行星,而是所謂的「棕矮星(brown dwarfs)」的話,這個系統早就已經崩解了。目前天文學家還不清楚這個行星系統究竟還能繼續維持數十億年之久,還是在數百萬年內就分解?如果未來數十年能小心監測這個行星系統的變化的話,或許可以瞭解這個系統的穩定度,找出前述問題的答案。

  這4顆氣體巨行星的起源也是個謎。它們似乎並不都遵循所謂的「核吸積(core accretion)」理論模型,也就是說在恆星周圍的氣體塵埃夠濃密,耗時數百萬年的時間,慢慢累積形成氣體巨行星的固態核心,然後藉由自身的重力慢慢聚集周圍的氣體而形成;但是這個理論無法解釋離中間恆星比較遠的三顆氣體巨行星的形成,因為或許當這三顆行星的固態核心形成之前,整個氣體塵埃盤早已消散。然而,它們也無法都遵循所謂的「塵埃盤分裂(disk fragmentation)」理論模型,也就是說擾動不已的原行星盤邊緣,僅需耗時超過10,000年左右,因快速冷卻而收縮形成行星;但是在最新發現這顆行星所處的位置,因為已經太靠近中間恆星,將使塵埃盤的溫度高到無法向內聚集形成行星。不過,Marois等人認為這4顆氣體巨行星的質量都差不多,不太可能是經由不同途徑形成,所以到目前為止,Marois等人找不到任何一個簡單的行星形成理論可以合理解釋這些行星目前所處的位置。

  除了4顆氣體巨行星之外,HR8799和太陽系都擁有兩處由小型岩質或冰質天體以及無數微小塵粒所組成的碎屑帶(debris belts),太陽系中的這兩處碎屑帶就是火星與木星間的小行星帶,以及海王星軌道以外的古柏帶。天文學家從HR 8799e的重力可估算HR 8799小行星帶的位置,最後得出大約相當於太陽系中的木星軌道。由於這4顆巨行星都和太陽系一樣,位在比較外側的區域,因此應該也會像太陽系一樣,容許比較小的類地行星在較內側區域發展成長;然而這些類地行星實在是太小了,沒辦法像前4顆氣體巨行星一樣被直接拍到。



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