最新研究揭曉了,在岩石行星與它們的恆星之間存在著複雜的化學連結

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在我們早期的太陽系中,一個巨大的塵土、岩石以及氣體的原行星盤(protoplanetary disk)盤旋在新形成的太陽周圍。其中的一些材料最終透過重力連結在一起,形成了我們今日所知道的行星的青少年期。這包括我們的家-地球。

恆星大氣中的元素

新發表於期刊《科學》(Science)的研究已幫助研究人員確認,與大型的氣體行星,例如海王星與木星對比之下,類似於地球、及我們鄰居的金星與火星的岩石行星(rocky planet)擁有與它們的恆星相似的重元素百分率。

一群研究人員從 32 顆低質量的太陽系外行星(exoplanet)中聚集了數據,這 32 顆系外行星繞著 27 顆與我們的太陽大小與光譜類型相似的恆星公轉。藉由分析穿過恆星大氣的光,天文學家可以量測出恆星的化學組成。透過光譜調查,會有間隙出現在光的頻段(frequency band)中,指出哪一種元素存在於恆星當中。

研究的作者解釋:「在主序星(main-sequence star)的大氣中元素的豐富度會反應在它們整體成分上(除了最輕的元素以外),其範圍在幾個百分比之間。而隕石量測的結果顯示,這對太陽而言是有效的。」

透過這個過程,對於目標的太陽系外行星的宿主恆星中重元素的比例,研究人員能夠獲得更精確的資料。他們在研究中寫到:「我們分析了所選行星的 21 顆宿主恆星的光譜(HD 80653 並沒有可用的光譜),並且測量了它們的大氣化學組成。我們在宿主恆星中定出了大量的鎂(Mg)、矽(Si)以及鐵(Fe),這些都是形成岩石的主要元素。」

恆星與行星間的元素關聯

天體物理學家理論上認為,在原行星盤中,像是 Fe 與 Mg 等較重元素的豐富度很有可能反映在錨定太陽系的恆星中,因為在形成階段,可能有同一批材料亦存在著。這表示說,岩石行星以及它們的恆星在整體質量上,很有可能重元素的比率共享。但是這些比率究竟有多緊密相連,還沒有很完整清楚。

研究作者們註記:「理論預測說,在行星形成的過程中,恆星與行星當中的 Fe/Si 與 Mg/Si 的豐富度比率會維持非常相近。因此,太陽這類恆星的大氣中耐火元素(例如 Mg、Si 以及 Fe)的豐富度被認為代表了初始原行星盤的組成。」

藉由使用太陽系外行星的質量、半徑以及行星內部的模型,研究人員計算出樣本中每顆行星可能的鐵質量比例。其中,他們同時考慮了鐵只存在行星核(core)中的情況、以及可存在每顆行星的核與函(mantle)中的情況。接著,每顆行星的鐵質量比例被拿來與原行星盤的鐵質量比例做比較,而原行星盤的鐵質量比例是由宿主恆星的組成推算出來的。

作者們發現,恆星以及繞著它們旋轉的行星中鐵的比例彼此相關聯,但並非 1:1。這代表著,在原行星盤中元素分布的細微差異、以及與行星形成相關的過程,在決定岩石行星的最終化學組成上扮演了重要的角色。

未來方向

雖然在恆星與圍繞它們的行星之間,於較重元素的豐富度上存在有稍微的差異,但是這個結果提供了佐證,讓我們從例如 Fe、Mg、Si 等形成岩石的主要元素在恆星中的豐富程度,來推算岩石行星的化學組成,而這個在先前的其他研究中,也是這樣假設的。

除此之外,來自新研究的結果亦註記說,超級地球(super-Earth)與超級水星(super-Mercury)等級的太陽系外行星似乎擁有不同的化學組成,這表示著在形成行星的過程中存在有差異。對未來的太陽系外行星研究來說,這些資料將會很方便。

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參考資料:

  1. Feehly, C., (2021, October 15). New Study Reveals Intricate Chemical Link Between Rocky Planets and Their Stars. ScienceAlert

  2. Adibekyan, V., (2021, October 15). A compositional link between rocky exoplanets and their host stars. Science. DOI: 10.1126/science.abg8794

  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/new-study-reveals-the-intricate-chemical-link-between-rocky-planets-and-their-stars(圖:NASA/Tim Pyle)