热木星为何没有被恒星消耗,其磁场强度和哪些因素有关?

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  在科学家们对系外行星的探索中,“热木星”算得上是一种关注度较高的天体。它们拥有和木星相差无几的大小、甚至更大,以及更为贴近其宿主恒星的公转轨道。与其他离宿主恒星距离更远的行星相比,它们拥有更多的会凌日;它们的轨道离心率很低,因此,总以同一面朝向其宿主恒星;由于受到来自主星的强烈辐射影响,它们的表面往往看似 “浮肿”,但却很少会在这个过程中被消耗掉;并且,随着年龄增长,巨型热木星可能会变得更大,而这些系外行星的磁场,也远比我们之前想象的要强很多!

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  首次被测量的热木星磁场强度

  热木星是一种巨大的气体行星,只不过它的位置是在太阳系以外,如果用更易于理解的方式,来形容它们和主星之间的距离,我们可以这样来表达:它们之间的距离,比水星和我们自己的太阳之间的距离更近。在其宿主恒星的磁场中,这些行星的磁场也会以连续的方式进行强大的相互作用,并在此过程中产生钙的排放。而热木星的运行轨道就在其恒星的周围,恒星的磁场也因此而被拉伸和扭曲,并导致了其离子化钙的排放增加。当这个似乎处于低能状态的磁场,遭受橡皮筋那样的拉伸或扭曲时,其中所储存的能量也会随之增加。

  众所周知,木星的磁场有一个测量值,大约为4.3高斯。而科学家们此次探索的目标对象,是系外行星中的四颗热木星,并通过这次的磁场测量,发现了它们20到120高斯的磁场范围值,这些系外行星的磁芯比太阳系的木星强很多。与此同时,这个结果还表明了系外行星的磁场强度取决于多个因素,包括了它们的年龄、旋转,以及该行星核心的热量。正是因为它们从主星中吸收了更多的额外能量,所以才会比其他大小和速率相同的行星拥有更强的磁场。这是研究人员首次在观察结果的基础上,对行星磁场进行的预估,这不仅是认知的一次巨大跳跃,更能帮助我们准确的了解这些行星内部正在发生的事儿。

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  为何热木星和其宿主恒星很接近

  在天文科学家们发现的众多巨型热木星中,都有一个相同的特点,那就是它们和其宿主恒星的位置总是很接近。其实,这跟我们发现它们所使用的方法有很大关联,而第一种方法,就是基于其母星本身的运动。在该星球的一年中,当其坐落于该系统的某个位置,由于重力的作用方式,它总是一周又一周的、轻轻地试图将恒星拉到自己身上,但最终却发现自己处于系统的另一端。虽然恒星的来回晃动幅度看上去只是一点点,但毕竟它和其他行星相比而言是巨大的。所以科学家们可以通过对恒星发出的光的红移和蓝移,来检测这种摆动,从而实现足够精确的测量。从本质上讲,无论是通过可见光还是红外光,直接成像的方法类似于摄影。而拍摄一颗行星也并不容易,科学家们必须使用一种被称为日冕仪的仪器,以阻挡来自恒星的光线,从而揭示行星在其阴影中反射的暗光。而第二种强有力的方法,在目前寻找新行星中经常用到,那就是简单的寻找远远的日食。

  当我们得到正确的路线,并盯着足够的星球,每隔一段时间,一颗行星将穿过它的母恒星的正面,使得该星球略微变暗,这就是所谓的过境检测法。如果该行星足够大,那么这两种方法都会很容易找到行星,会产生更强烈的摆动或更明显的亮度下降。因此,这些方法将首先挑选出那些足够大、且距离足够近的行星,因为它们将产生最强、最不模糊的信号。尤其是对于具有快速轨道速度的行星,我们可以获得更多的信号爆炸,用于观察降压。这也导致了最初的担忧:有一段时间,似乎每个系外行星都是一个热木星,但幸运的是,随着我们探测方法的改进,终于可以发现更小的系外行星。星系是一个更加复杂的地方,有很多热木星,但也有很多常规的木星,以及我们能想象到的其他所有类型的星球。

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  恒星辐射是热木星浮肿的驱动力

  顾名思义,热木星是巨大的气体行星,比我们太阳系中的大行星还要严酷得多。这些外星世界的轨道非常接近它们的主星,在某些情况下只需几个小时即可完成一圈。热木星也往往非常浮肿,质量与木星或土星相似,但体积却要大得多。长期以来,天文学家们一直怀疑它浮肿的外观,与从母星流入其大气的热量有关。然而,由于我们没有数百万年的时间来观察特定行星系统是如何演变的,因此行星通胀理论也难以证明或反驳。为了改变这种状况,研究人员分析了K2任务期间收集的数据,在它们生命即将结束时,这些巨星是太阳般的恒星,并膨胀到其原始尺寸的许多倍。

  科学家们通过对出生在不同系统中的两个这样的行星进行了研究,用模型来估计来自其母星的热量有效地被两个行星吸收,并转移到它们的深层内部。从而确定一旦到达红巨星阶段,恒星发出的辐射就会增加,这可能就是热木星剧烈膨胀的关键。当然,当仅仅是根据两个样本大小的结果进行外推时,我们需要更加谨慎。但是这项研究也确实表明了,至少对于热的木星来说,来自恒星的辐射就是该行星浮肿的驱动力。客观而言,研究恒星演化如何影响行星是一个新的前沿,无论是在其他星系中,还是在我们自己的太阳系中,通过更好地了解行星如何应对这些变化,我们可以了解到太阳的演化,将如何影响地球上的大气、海洋和生命。

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  为什么热木星没有被其恒星消耗

  通过科学家们的研究发现,巨大炎热的热木星是成功的冒险者,总是危险地接近其母恒星,但却很少被消耗。一旦它们的轨道变成圆形之后,行星大多区域稳定,每隔几天绕着它们的恒星晃动。很幸运,我们的土星和木星没出现这样的情况,因为这样的迁移可以引导较小的岩石行星,有时甚至会将它们完全抛出太阳系。虽然,所有热木星都越来越接近它们的恒星,但这个过程在距离太近之前就停止了。简而言之,被称为热木星的气体巨型系外行星的向内迁移过程,往往会在它们向下衰落之前停止。到底什么可以阻止向内迁移,允许热木星在其近距离轨道中生存,这也是神秘的话题,于是,科学家提出了三个主要理论,第一个理论认为,主星的磁场是一个障碍。

  第二种理论认为,当木星到达不同的路障时,热木星会停止迁移,因为这是新生系统,行星在形成“盘”时尘埃部分的末端。这一理论基本上表明,在行星一直落入恒星之前,行星在尘埃落定的尘埃之路上行进。在它的尘埃盘的恒星和内缘之间形成一个间隙,行星被认为可以阻止它们的迁移;而第三种观点则认为,当母恒星的引力通过热木星的轨道时,向内迁移就会停止。科学家们研究了这些行星的轨道距离如何根据主星的质量而变化,并发现热的木星绕着更大质量的恒星绕着相对更远的轨道运行,正如第三个理论预测的那样。当只有少数热木星被人知道时,几个模型可以解释观察结果,在这些行星的种群中所找到趋势表明,潮汐与通常看不见的行星和恒星伴星的引力相结合,也可以使这些巨行星靠近它们的恒星。

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  热木星可能随年龄增长变得更大

  科学家们通过先前的研究发现,越来越多的系外行星比预期的要大,但并不意味着这些行星诞生的时候就特别大,它很可能时随着时间的推移而膨胀起来的,因为它们的恒星散发出热量。在过去的二十多年中,在地球的太阳系之外,天文学家已经确认存在超过3400个世界。这些发现也揭示了这些系外行星,例如“ 热木星 ” 这种气体巨星,它们与地球太阳系中看到的行星非常不同。我们都知道,气体巨行星的大小,主要由行星深处内部的热量决定,但由于这些行星内部没有产生新的热量,它们本应随着时间的推移会冷却和收缩。如果想要它们随着时间的推移而变得越来越大,那么唯一方法就是,其恒星的一些辐射能量,以某种方式深入该行星并加热它。

  当恒星在“ 主序列 ” 上接近它们的时间结束时,恒星会变得更亮,也就是说,这是这些恒星生命中最稳定的部分,但随着恒星变老,它们会重新振荡在它们附近运行的行星。直到现在,研究人员还没有令人信服的证据表明,热木星实际上会随着时间的推移而变得越来越大,而研究人员们也正在寻找诞生时就比预期更大的热木星的可能性。已经从主序列老化而成为臃肿巨星的星系外行星,那些宽轨道上的气体巨人,就像我们自己的木星一样,当它们受到恒星的显着加热时,它们是否会变得非常膨胀,这将让研究人员了解到行星对恒星辐射变化的反应速度。这些研究对于我们了解行星如何形成、它们如何随时间演变、以及对这些行星内部物理过程的理解,都具有重大意义。

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