环绕附近恒星的重金属系外行星

　　一颗系外行星围绕红矮星运行的艺术想象图 图片来源： NASA/ESA/STScI/G.Bacon
　　＂寻找到5000个系外行星＂是一个被大肆宣传的重要目标， 目前我们已确认的系外行星总数离这个目标只差几百个了。然而，比数字更值得注意的，是这些系外行星所展现出的多样性。在天文学家发现的系外行星中，有一小部分与我们太阳系中的行星类似，但大多数对我们来说很陌生:有灼热的气态巨行星，每隔几天就能围绕主星旋转一周；有海王星大小的行星，密度像棉花糖一样，就像一颗马勃；还有成群结对的小行星，像沙丁鱼一样挤在一起，围绕着小而冷的恒星旋转。与它们相比，我们熟悉的、被认为是＂典型＂的太阳系，反而是不寻常的。
　　GJ 367b是最新发现的一颗古怪的系外行星，它挑战了我们的既有观念，向我们强调宇宙中还有很多未知。它太古怪了，以至于似乎更适合出现在重金属专辑的封面上或者科幻小说的情节中，而不是出现在现实世界中。在2021年12月2日发表在《科学》（Science）上的一篇文章称，这颗行星可能本质上是一个半熔化的铁球，体积约为地球的四分之三。
　　德国航空航天中心（DLR）的Kristine Lam和同事利用NASA的凌日系外行星巡天卫星（TESS）发现了GJ 367b。它是一个奇特的＂亚地球＂行星（比地球和金星质量小得多的行星），位于一颗距离我们仅31光年的小红矮星周围。TESS的观测显示，这颗行星直径约9000千米（大约比火星直径大1/3）；随后欧洲南方天文台的高精度径向速度行星搜索望远镜（HARPS）的观测显示，这颗行星的质量只有地球的一半。综合以上的观测结果，可以得出这颗行星的密度惊人——大约8克每立方厘米，接近纯铁的密度。Lam指出：＂这颗行星很可能含有大约80%的铁，被硅酸盐的地幔包裹着。这种结构类似于我们太阳系中的水星。＂
　　但是，水星距离太阳5800万千米，公转周期88天；而GJ 367b距离主星仅100万千米，公转周期仅为7.7小时。这意味着GJ 367b沐浴在恒星的光芒中，表面温度可能高达1500摄氏度，足以熔化岩石和金属。＂在这里生活可能不怎么惬意。＂Lam说。
　　水星 图片来源：unsplash
　　之前人们已经发现了大约100颗类似的超短周期的岩质行星，但GJ 367b是其中最小最轻的。它很可能会因为与恒星接近而被潮汐锁定，这意味着它总是以同一个半球面面向恒星，就像月球对地球一样。永远面向恒星的一面（永昼）会具有极高的温度，因此可能是一片岩浆的海洋。法国艾克斯马赛大学的Alexandre Santerne（没有参与这项研究，但他之前发现了另一颗类水星的系外行星）指出，在这样的温度下，硅酸盐应该是液态的，就像一个巨大的岩浆池；而与此同时，该行星背对恒星的一面（永夜）温度要低得多，意味着那里应该有固态的岩石；在昼夜的分界线上，应该会存在介于岩浆和岩石之间的过渡物质。如果这颗行星有大气层的话，这种温度差异可能会导致狂风。但大多数专家认为，因为GJ 367b与它的主星极其接近，所以它可能很早之前就没有大气了。
　　这颗行星是如何形成的是一个谜，答案可能对我们理解太阳系的形成产生重要的影响。科学家不认为行星可以在距离恒星很近的地方形成，因为导致GJ 367b被潮汐锁定的引力应该早在一开始就扰乱了行星的形成过程。所以类似的行星可能是在距离恒星更远的地方形成的，而后向内迁移，这个过程有时会导致壮观的星际碰撞。水星可能就是由类似的巨大撞击塑造的，它曾经的结构可能与地球更为相似。＂最合理的解释是，一些物体撞上了水星，留下了一个主要是铁的物体。＂普林斯顿大学的Joshua Winn说，他是发现GJ 367b论文的合著者。他补充道：＂但这个说法并不能让我们信服，因为没有其他证据证明发生了碰撞。如果我们可以弄清楚这些富含铁的超短周期行星是如何形成的，也许就能启发我们对水星形成的理解。＂
　　一种可能性是，像GJ 367b这样的超短周期岩质行星，可能不是由灾难性的碰撞形成的，它们可能是巨行星在迁移时，被恒星烤干表面的气体后残余的铁核。天文学家寻找系外行星时，发现轨道离恒星很近的行星中，既有巨大的＂热木星＂，也有类似GJ 367b的行星。值得注意的是，在这样的环境中，大小介于两者之间的、类海王星的行星是缺失的。造成这种情况的原因可能是，这类行星被系统中的另一颗行星推向恒星，当它们足够接近恒星时，它们含氢和氦的大气层被剥离，只留下岩质的内部。英国华威大学的前教授Don Pollacco说：＂GJ 367b原来很有可能是一个更大的行星，但是已经被烧毁了，所以我们看到的可能是一颗表面蒸发了的行星的高密度的内核。＂
　　对于水星来说，由于它与太阳的距离相对较远，不太可能有这样奇异的起源故事。随着对水星的进一步研究，以及使用下一代设备(如詹姆斯·韦伯太空望远镜James Webb Space Telescope)对超短周期行星的更多观察和发现，我们对这样的行星的形成过程可能给会有更深的了解。最重要的是，在已知的数千颗系外行星中，我们在不断地发现新奇的行星。Pollacco说：＂我们试图在太阳系外寻找类似太阳系的地方，但我们实际发现、并将继续发现的，是与太阳系截然不同的、超乎我们想象的世界。＂
　　詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST） 图片来源：NASA
　　撰文：Jonathan O’Callaghan
　　翻译：武雨佳
　　审校：郑昱虹
　　引进来源：科学美国人
　　本文来自：中国数字科技馆