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一个令人兴奋的发现,但要在数十年后才可能被验证

admin2021-10-2827

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本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:不二北斗,头图来自:NASA/CXC/SAO/R



在银河系中,行星无处不在。利用人类可以看到的可见光,目前天文学家已经通过地面和空间望远镜发现了4800多颗系外行星。天文学家知道,在银河系之外的星系环境中,行星也可以形成。然而,探测这些存在于河外星系中的系外行星是很困难的事。


由于每个河外星系所占据的天空面积都非常小,所以我们难以通过望远镜来研究那些星系中的单个恒星,更不用说看清围绕在它们周围的行星。目前,还没有任何一颗被探测到的系外行星或候选系外行星是来自河外星系。


不过,一篇于近期发表在《自然·天文》的报道表明,天文学家在分析了XMM-牛顿卫星和钱德拉X射线天文台收集到的数据后,可能首次发现了一颗位于银河系之外的行星。这颗可能的系外行星位于漩涡星系M51中,距离我们大约2800万光年。


 星系M51,由于其独特的外形,M51也常被称为涡状星系。图中方框处显示的为新发现的候选系外行星所在的位置。| 图片来源:X-ray: NASA/CXC/SAO/R. DiStefano, et al.; Optical: NASA/ESA/STScI/Grendler



这一新的结果是基于凌星现象得出的。在凌星现象中,一颗行星在经过恒星时,会挡住恒星的一些光,从而在可探测的光变曲线上产生一个下降。利用这种现象,天文学家已经找到了银河系内的许多行星。


在光学波段,一颗行星在凌星时只能遮挡住恒星的一小部分光,因此导致的光变曲线的下降非常微弱。这样的情况显然不适用于探测遥远星系中的行星。若想要在河外星系中发现系外行星,天文学家需要采用一些不同的探测方法。


在新的发现中,天文学家将目光转向了X射线望远镜收集的观测数据。在河外星系中,一些被称为X射线双星的明亮天体是搜寻行星的理想对象。这些发光系统通常包含一颗中子星或黑洞,它会从邻近的伴星中吸取物质,下落的物质会被中子星或黑洞的强引力场加速,并被加热到数百万度的高温,从而放出大量明亮的X射线。


 图片来源:ESA


由于这些X射线发射区域的横截面积非常小,几乎与行星的横截面积相差无几,甚至更小,因此当一颗行星从它前面经过时,它的大部分甚至是全部的X射线可能都会被挡住。在这种情况下,X射线甚至可以完全消失。如此一来,这种凌星现象更容易被发现,从而帮助天文学家在更远的距离上探测到系外行星。


通过使用这种方法,研究人员在位于M51的M51-ULS-1双星系统中探测到了这颗系外行星。这个双星系统包含一个黑洞或中子星,它围绕着一颗质量大约为太阳质量的20倍的伴星运行。观测到的X射线数据显示,凌星事件持续了大约三个小时,在此期间X射线发射降低到了零。


 天文学家在一个X射线双星系统中发现了X射线的暂时变暗,在这个系统中,一颗大质量恒星围绕着一颗中子星或黑洞运行。这种变暗被解释为一颗行星从中子星或黑洞周围的X射线源前面经过。| 图片来源:NASA/CXC/M. Weiss

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基于这些信息以及一些其他信息,研究人员估算出M51-ULS-1中的这颗候选行星的大小应该和土星相似,而它和与之围绕运行的中子星或黑洞之间的距离,大约是土星到太阳距离的两倍。



在确认这真的是一颗系外行星之前,研究人员首先必须确保,这个信号不是由其他事件引起的。


X射线的下降是由褐矮星或红矮星之类的小恒星引起的吗?研究人员认为,答案是否定的,因为这个系统还太过于年轻,而凌星的天体又太大。


它可能是由气体和尘埃云所引起的吗?研究人员认为,这是一种不太可能的解释,因为在M51-ULS-1中观察到的事件特征,与气体云和尘埃云在经过时的特征有所不同。


那这种亮度的下降可以用光源本身的亮度变化来解释吗?论文的作者相信情况并非如此,因为尽管天体所发出的光完全消失了几个小时,但它的温度和颜色是保持不变的。


研究人员进行了一项计算机模拟,以测试这种下降是否具有行星凌星的特征。通过比对观测到的X射线数据,他们发现凌星模型与数据完全符合。这使得研究人员非常确信,这很有可能就是我们在银河系之外找到的第一颗候选行星。


这样的结果非常令人惊喜,如果在这个X射线双星系统中真的存在一颗行星,那么意味着它可能经历过一段非常动荡的历史。系统中的中子星或黑洞是由超新星爆炸而产生的,因此如果这个系统中存在一颗系外行星,那么它必须能在超新星爆炸中幸存下来。此外,它所面临的未来也同样可能是凶险的,在某个时刻,系统中的伴星也可能爆炸成为超新星,让行星再次沐浴在极高的辐射中。


不过,若要真正证实这是一颗来自银河系外的系外行星,还需要更多的数据。然而这存在一些难度,因为这颗候选行星有着相对较大的运行轨道,这意味着我们在大约70年的时间内,都无法再次看见它穿过这一双星系统,这使得在接下来的几十年里都无法实现对其进行确认性的观测。尽管如此,这对于在河外星系中寻探索系外行星,仍是令人兴奋的一步。



利用钱德拉和XMM-牛顿卫星的数据,研究人员也在另外三个星系中搜寻了X射线凌星现象。它们的搜寻覆盖了M51里的55个系统,M101(风车星系)里的64个系统,以及M104(草帽星系)里的119个系统。


接下来,他们将利用钱德拉和XMM-牛顿卫星的数据存档,在其他星系中找寻更多的系外行星候选。钱德拉的大量数据集至少覆盖了20个星系,其中包括像M31和M33这样的星系,它们距离我们比M51更近,因此可以探测到较短的凌星现象。另一个有趣的研究方向是在银河系中寻找X射线凌星,以此发现更多就存在于我们附近的行星。


参考来源:

https://news.harvard.edu/gazette/story/2021/10/possible-discovery-of-the-first-planet-outside-of-our-galaxy/

https://www.nature.com/articles/s41550-021-01495-w

https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Could_this_be_a_planet_in_another_galaxy


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),作者:不二北斗

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