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普林斯顿大学新闻

科学家称,WASP-12b行星正处于死亡漩涡中

地球在劫难逃,但至少要再活50亿年。随着太阳的膨胀,我们的星球将被烤成一颗红巨星,但位于御夫座600光年之外的系外行星WASP-12b只剩下不到千分之一的时间:相对微不足道的300万年。

普林斯顿大学领导的天体物理学家团队发现WASP-12b正在向它的主恒星螺旋上升,并走向一定的毁灭。他们的论文发表在2019年12月27日的《天体物理学杂志通讯》上。

WASP-12b被称为“热木星”,是一颗巨大的气态行星,与我们的邻居木星类似,但它离自己的恒星非常近,绕太阳公转仅需26小时。(相比之下,我们绕轨道一周需要365天,甚至太阳系最深处的行星水星也需要88天。)

“自从发现1995年的第一次“热木星”——这一发现被认为今年的诺贝尔物理学奖,我们想知道这样的行星可以存活多久,”韦恩约书亚说,普林斯顿大学天体物理学教授,论文的作者之一。“我们很确定它们不会永远持续下去。行星和恒星之间强大的引力相互作用应该会导致行星向内旋转并被摧毁,但没人能预测这需要多长时间。可能是数百万年,可能是数十亿甚至数万亿。现在我们已经测量了速率,至少有一个系统——几百万年——我们对恒星作为流体的行为有了新的线索。”

问题是,当WASP-12b绕着它的恒星运行时,这两个天体会相互施加引力,引起“潮汐”,就像地球上月球引起的海洋潮汐一样。

在恒星内部,这些潮汐波导致恒星变得稍微扭曲和振动。由于摩擦,这些波碰撞,振荡减弱,这个过程逐渐将行星的轨道能量转化为恒星内部的热量。

与潮汐相关的摩擦也会对行星产生引力,导致行星向内螺旋运动。测量行星的轨道缩小的速度可以揭示恒星消耗轨道能量的速度,这为天体物理学家研究恒星内部提供了线索。

“如果我们能找到更多像WASP-12b这样轨道正在衰变的行星,我们就能了解系外行星系统的演化和最终命运,”第一作者、天体物理学研究生塞缪尔·易(Samuel Yee)说。“虽然过去曾有人预测过WASP-12b这样的近距离巨行星会出现这种现象,但这是我们第一次观察到这种现象的发生。”

最早做出这一预测的人之一是美国西北大学(Northwestern University)物理学和天文学教授约瑟夫·卡明斯(Joseph Cummings),他没有参与Yee和Winn的工作。Rasio说:“我们已经等了将近25年才通过观测观测到这种效应。”“短时间尺度对轨道衰变的影响也非常重要。特别的是,这意味着肯定有更多的热木星已经一路走过了。当它们到达罗氏极限——一个在圆形轨道上的物体的潮汐干扰极限——它们的外壳可能会被剥去,露出一个岩石内核,看起来就像一个超级地球(或者可能是一个迷你海王星,如果它们能保留一点外壳的话)。”

Rasio还编辑《天体物理学杂志通讯》(Astrophysical Journal Letters),这是新论文发表的杂志。研究人员最初将他们的论文提交给了一家同样由美国天文学会(American Astronomical Society)出版的声望较低的姊妹期刊,但拉西奥将论文重新定向至ApJ Letters,因为这项研究具有“特别重大的意义”。他说:“我的部分工作是确保提交给AAS期刊的手稿中出现的所有重大新发现都被考虑以ApJ信件的形式发表。”“在这种情况下,这是显而易见的。”

WASP-12b是2008年通过凌日法发现的。在凌日法中,天文学家观察到,当行星从其前方经过时,每当它完成一圈轨道时,恒星的亮度会出现一个小的下降。自从它被发现以来,连续下降的时间间隔每年缩短了29毫秒——这是2017年由当时麻省理工学院的本科生基肖尔·帕特拉(Kishore Patra)首次注意到的观察结果。

这种轻微的缩短可能意味着这颗行星的轨道正在缩小,但也有其他可能的解释:例如,如果WASP-12b的轨道更像是椭圆形而不是圆形,那么轨道周期的明显变化可能是由于轨道方向的改变造成的。

确定这颗行星的轨道是否真的在缩短的方法是观察这颗行星消失在它的恒星后面,这就是所谓的掩星。如果轨道只是改变它的方向,实际的轨道周期不会改变,所以如果凌日比预期发生得快,掩星应该会发生得更慢。但是,如果轨道真的在衰变,那么凌日和掩星的时间应该向同一方向移动。

在过去的两年里,研究人员收集了更多的数据,包括用斯皮策太空望远镜进行的新的掩星观测。

“这些新数据有力地支持了轨道衰变的假设,使我们能够坚定地说,这颗行星确实在朝着它的恒星旋转,”Yee说。“这证实了长期存在的理论预测和间接数据,表明热木星最终应该通过这个过程被摧毁。”

Winn说,这一发现将有助于理论学家理解恒星的内部运作,并解释与潮汐相互作用有关的其他数据。“它还告诉我们热木星的寿命,这可能有助于解释这些奇怪和意想不到的行星的形成。”

塞缪尔·w·叶、约书亚·n·韦恩、希瑟·a·克努森、基肖尔·c·帕特拉、什里亚斯·维斯帕拉格达、迈克尔·m·张、马修·j·霍尔曼、Avi Shporer和杰森·t·赖特合著的《WASP-12b的轨道正在衰减》发表在2019年12月27日的《天体物理学杂志》上。这项研究得到了普林斯顿大学、海森堡-西蒙斯基金会、美国国家航空航天局太阳系拨款NNX14AD22G、宾夕法尼亚州立大学、埃伯利科学学院和宾夕法尼亚空间拨款财团的支持。作者希望认识和承认毛纳基亚山顶在土著夏威夷社区中一直具有的非常重要的文化作用和崇敬:“我们非常幸运有机会在这座山上进行观测。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2020/01/07/planet-wasp-12b-death-spiral-say-scientists