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Nov. 02 2021

天文學家可能在銀河系外發現了一顆「極端行星」

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有個奇特的X射線訊號暗示,可能有顆土星大小的行星潛伏在2800萬光年外的渦狀星系中,若結果屬實,這將會是此星系的第一顆已知行星。 

大約2800萬年前,在遙遠的渦狀星系(Whirlpool Galaxy)中,有顆藍色的超巨星正經歷徹底的悲慘命運。

這顆年輕而巨大的恆星與貪婪的伙伴──可能是黑洞或緻密的中子星──陷入了重力之舞,後者的重力如此之強,就像吸血鬼一樣吸食著這顆恆星的外表。當恆星的電漿被剝離時,發出的X射線要比我們的太陽亮100萬倍。

有個天體在這個遙遠的X射線源和我們的太陽系之間通過,從我們的角度來看,它擋住了X射線源達數小時之久。由於光線需要非常久的時間才能傳播如此驚人的距離,直到 2012 年,繞行地球運行的X射線望遠鏡才發現訊號強度的下降。現在有一組科學家團隊正在論證這個遮掩X射線的神祕天體可能是顆行星──是迄今發現過最遙遠、最極端的行星之一。

這項研究發表在10月25日出版的《自然天文學》(Nature Astronomy)期刊上,由天文物理學家羅珊.迪斯蒂法諾(Rosanne Di Stefano)領軍的研究人員認為,渦狀星系內的X射線雙星系統M51-ULS-1可能擁有一顆與土星大小相近的行星,它的軌道與母恆星的距離相當於天王星繞行太陽的軌道。

如果這顆行星確實存在,M51-ULS-1將代表我們首度在另一個星系精準定位擁有「銀河系外行星」(extroplanet,即在我們母星系銀河系之外所發現的行星)的恆星系統。

「這個候選行星──沒錯,我們應該暫稱它為候選行星──位處另一個星系的事實讓我大吃一驚。」哈佛-史密森尼天體物理中心(Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics)的研究員迪斯蒂法諾表示:「這件事的本質讓我感到興奮,卻也在某種意義上感到渺小。」

由於尚未獲得證實,M51-ULS-1系統內的這顆疑似行星仍只是「候選者」,還需天文學家觀測X射線亮度的多次週期性下降──這是行星圍繞光源運行的明顯跡象。但是,據估計這個天體的軌道需要數十年才能完成,這代表可能需要幾個世紀才能看到多次額外的亮度下降。

並未參與此項研究的麻省理工學院系外行星研究員克里斯.伯克(Chris Burke)表示:「這有點像看棒球比賽的第一球……我們已經知道了一些東西,但還不知道結果。」

雖然如此,用來發現這個訊號的技術提供了一種在遙遠星系中尋找行星的新方法。這項研究還顯示,行星可以在比先前認為更極端的恆星系統中生存。伯克說:「這可能為理解行星形成開闢了一個新的參數空間。」

銀河系之外的世界

天文學家用來在銀河系內尋找系外行星的主要方法,包括觀察被行星環繞的恆星,但當這些技術應用於其他星系時,效果要差得多。「如果距離遠1000倍,你獲得的光子就會少100萬倍。」迪斯蒂法諾說:「這是個很大的挑戰。」

直到現在,天文學家都仰賴「重力透鏡效應」(gravitational lensing)在銀河系以外的星系內尋找行星,這種是恆星等大型天體扭曲周圍時空而使入射光偏折的現象。從我們的角度來看,如果有顆恆星碰巧從地球和更遠的光源之間經過,那麼這顆恆星可以暫時放大遙遠的光源,從而產生稱為「微透鏡事件」(microlensing event)的閃光。

如果一顆恆星的周圍有行星繞行,那麼這些行星會影響該恆星重力透鏡的形狀,就像在相機鏡頭上添加一小塊玻璃會使照片微妙地扭曲一樣。天文學家可以在微透鏡事件期間偵測到這些變化,並以此推斷產生微透鏡事件的恆星周圍是否有行星存在。

到目前為止,科學家已經藉由這種方法發現在銀河系內發現了118顆行星,以及一顆在銀河系外的候選行星。2004年,研究仙女座星系(Andromeda Galaxy)的科學家宣布他們發現了一個不尋常的微透鏡訊號,2009年的一項後續研究顯示,這個訊號可能來自一顆有行星環繞的恆星。

但這種方法只能披露非常少許關於恆星或繞行行星的細節,距離遙遠的狀況下尤是如此。仙女座星系的那個訊號在望遠鏡相機感測器內只占了單一個像素。

2018年,迪斯蒂法諾和目前任職於加州大學聖克魯茲分校的哈佛博士後研究員尼亞.伊馬拉(Nia Imara) 提出了另一種在銀河系外尋找行星的方法:在X射線雙星系統(x-ray binary)中尋找。

當一對密近恆星彼此繞行,其中一顆恆星死亡並塌縮成黑洞或中子星這樣的極緻密恆星殘骸,就會形成X射線雙星。塌縮天體的巨大重力非常猛烈地撕扯伴星上的物質,因此該系統會發出明亮的X射線。

如果一顆行星能在這種混亂的環境中存活下來,它的軌道可能會恰好在地球和X射線源之間經過,從而揭露這顆行星的存在。

極端環境下的行星

2018年夏天,迪斯蒂法諾、伊馬拉和他們的同事決定對美國航太總署(NASA) 的錢卓X射線太空望遠鏡(Chandra X-ray Observatory)和歐洲太空總署的XMM-牛頓望遠鏡(XMM-Newton telescope)的公開觀測數據庫中進行搜尋,尋找X射線雙星訊號的波動。他們很快就發現了來自M51-ULS-1的候選訊號。

研究人員隨後檢查了行星以外的其他天體,是否可以解釋M51-ULS-1的變暗情形,因為X射線雙星的亮度會發生波動。但到目前為止,這些替代解釋都站不住腳。

在2012年的訊號中,所有能量源的X射線都變暗到幾乎為零──這強烈暗示著一個不透明的固態天體擋住了觀察的視線。研究人員認為如果遮擋的天體是一團塵埃雲,那至少會讓一些X射線通過。

如果遮擋的天體是顆恆星,那這反而會變成一個重力透鏡,讓雙星在凌日過程中變得更亮,而不是像觀察到的那樣變暗。而且M51-ULS-1很有可能太年輕,無法容納合適大小的「棕矮星」(brown dwarf)──比氣態巨行星大但比恆星小的天體──來解釋觀測結果。

如果確實有顆行星存在於M51-ULS-1中,那它已經成功地在一個非常猛烈、非常年輕的系統中生存了下來。伯克表示:「這個系統內已經有太多活動,要在此處形成行星太瘋狂了。」

若能在更多X射線雙星系統周遭探測到更多行星,或將有助揭露恆星系統形成行星是多麼容易。一方面,迪斯蒂法諾很高興看到研究人員將她們團隊的方法應用在更多公開的X射線數據庫,包括銀河系內的X射線雙星數據。

「這開闢了一個非常廣闊的領域,」她說: 「我的希望是人類的科學進展會因此騰飛。」

 

延伸閱讀:這顆繞行白矮星的行星或許能讓我們一窺太陽系的最終命運 / 若「第九行星」真的存在,它可能比想像中更近也更容易發現!

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