天文學家發現一顆驚人的「超級地球」,幾乎與宇宙年齡一樣老

黃威翔
·5 分鐘 (閱讀時間)

天文學家發現行星的確可以存活一段非常長的時間。

古老的類地系外行星

在銀河系最古老的恆星之一,一顆位於 280 光年處,名為 TOI-561 的橙矮星的附近,天文學家發現了 3 顆繞在其周圍的太陽系外行星(exoplanet),其中有一顆是岩石行星(rocky planet),為地球的 1.5 倍大,並以 10.5 小時的高速繞著該恆星公轉。

很顯然地,如此靠近恆星的太陽系外行星不太可能適合居住,即便它如同地球、金星及火星般是岩石行星。它會達到 2480K 的高溫,在永遠是白天的那一側會被岩漿海(magma ocean)給潮汐鎖定。

但是 TOI-561 系統,包括行星及全部,是所有天文學家見過最古老的系統之一,預估年紀大約在 100 億年。這年紀超過太陽系的兩倍,幾乎跟宇宙本身一樣老,因此可作為岩石的太陽系外行星能夠維持穩定達很長一段時間的證據。

夏威夷大學(University of Hawai’i)的天文學家勞倫·懷斯說到:「TOI-561 b是我們所發現過的最古老的岩石行星之一。它的存在顯示,幾乎從宇宙 140 億年前誕生以來,就開始形成岩石行星。」

行星資訊

三個行星命名為 TOI-561 b、TOI-561 c及TOI-561 d,是由美國太空總署(NASA)尋找行星用的太空望遠鏡「凌日系外行星巡天衛星」(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)所辨識出來的。TESS 分區域注視著整個天空,尋找遙遠恆星發出的光中,週期性的亮度下降。這些是所謂的「凌日」(transit),也就是當一顆行星通過我們與其恆星之間時。從這個資料以及後續的觀察,天文學家能夠決定這三顆太陽系外行星的軌道週期以及大小。

最外側的 TOI-561 d 大約是地球大小的 2.3 倍,軌道週期為 16.3 天。TOI-561 c 為地球大小的 2.9 倍,軌道週期為 10.8 天。而 TOI-561 b 是地球大小的 1.45 倍,其軌道週期只有約 10.5 小時。

該研究團隊也進行了徑向速度(radial velocity)的量測。當行星繞著恆星旋轉時,恆星不會靜止不動。每個系外行星都會對恆星施加自己的引力,結果會形成一小段有點複雜的舞蹈,當該星球向我們移動或遠離我們時,會壓縮及伸展恆星的光線。

若是我們知道恆星的質量,我們可以觀察該恆星隨著系外行星的引力而移動了多少,藉此計算系外行星的質量。從這個理論,研究人員算出了 TOI-561 b 大約是地球質量的 3 倍。但是其密度大約跟地球的密度差不多,約 5 g/cm3

加利福尼亞大學河濱分校(University of California, Riverside)的行星天體物理學家史蒂芬·凱恩副教授(Stephen Kane)說到:「這很令人吃驚,因為你本來會預期密度更高。因此,這與這顆行星非常古老的觀念是一致的。」

行星生成模型

這是因為宇宙中較重的元素,也就是比鐵更重的金屬,是在恆星的內部所鍛造、在巨大恆星的生命末期所形成的超新星(supernovae)中所鍛造,以及在巨大的死恆星的碰撞間所鍛造。只有在恆星死後,並將這些元素散播到太空之中後,它們才能被其他物體所吸收。

所以,宇宙中最古老的恆星很缺乏金屬。比方說,TOI-561 的金屬性就低。而任何在宇宙早期形成的行星也應該具有低金屬性。

過去的研究認為在岩石行星的生成上具有較低的金屬性極限,因為較重的元素比較不可能藉由恆星輻射而蒸發,因此晶粒能夠在星周盤(circumstellar disc)中存活得夠久,以聚在一起並形成行星。因此,找到像是 TOI-561 b 的行星能夠幫助我們限制這些模型,並且進一步可以幫助我們定位更古老的岩石系外行星。

外星生命新線索

凱恩副教授表示:「雖然這顆特定的行星今日比較不可能適合居住,但是它可能是個預告,在我們銀河系的最古老恆星周圍還有許多等待被發現的岩石行星。」

而這可以幫助我們尋找適合居住的世界。地球的年紀約為 45 億年,而最早的生命跡象被認為出現於約 35 億年前,然而脊椎動物一直到大約 5 億年前上下才出現於化石紀錄上。我們所知的複雜生命需要時間來出現。所以如果我們想要找到比起古細菌(archaea)或微生物更複雜的生命,科學家們認為存活很久且相對穩定的行星是最有可能可以居住的。

因此,雖然 TOI-561 b 不會是一個值得拜訪的好地方,但是它構成了另一個線索,在我們狂熱尋找宇宙中某處的生命時幫助我們。

更多科學與科技新聞都可以直接上 明日科學網站 http://www.tomorrowsci.com

參考資料:

  1. Starr, M., (2021, January 14). Astronomers Find an Astonishing ‘Super-Earth’ That’s Nearly as Old as The Universe ScienceAlert

  2. Weiss, L. M. et al., (2020, December 14). The TESS-Keck Survey II: An Ultra-Short Period Rocky Planet and its Siblings Transiting the Galactic Thick-Disk Star TOI-561. arXiv. arXiv:2009.03071

  3. Johnson, J. L. et al., (2012, May 8). The First Planets: The Critical Metallicity for Planet Formation. The Astrophysical Journal. Jarrett L. Johnson and Hui Li 2012 ApJ 751 81

  4. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/an-astonishing-super-earth-exoplanet-is-nearly-as-old-as-the-universe(圖:W. M. Keck Observatory/Adam Makarenko)