新研究为岩质行星与其宿主恒星之间的成分联系提供经验性证据

摘要:

长期以来,天文学界一直认为行星和它们各自的主星之间存在着成分上的联系。现在,一个由伯尔尼大学和苏黎世大学的国家研究中心(NCCR)PlanetS的研究人员参加的科学家团队首次提供了支持这一假设的经验性证据--同时也与之部分矛盾。

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恒星和行星是由相同的宇宙气体和尘埃形成的。在形成过程中,一些物质凝结并形成岩质行星,其余的要么被恒星积累,要么成为气态行星的一部分。因此,关于恒星和其行星组成之间的联系的假设是合理的,并且得到了证实,例如在太阳系中,大多数岩质行星。然而,假设,特别是在天体物理学中,并不总是被证明是真实的。10月15日发表在《科学》杂志上的一项由葡萄牙天体物理学和西班牙科学研究所(IA)领导的研究,也有来自伯尔尼大学NCCR PlanetS和苏黎世大学的研究人员参与,为这一假设提供了第一个经验证据--同时也部分推翻了这一假设。

为了确定恒星及其行星的成分是否相关,研究小组比较了两者的非常精确的测量结果。对于恒星,他们的发射光被测量,这带有其成分的特征光谱“指纹”。岩质行星的组成是间接确定的。它们的密度和成分是由它们测量的质量和半径得出的。直到最近,才有足够多的行星被精确地测量出来,从而有可能进行这类有意义的调查。

“但是,由于恒星和岩质行星在本质上是完全不同的,所以比较它们的组成并不直接,”正如该研究的共同作者、伯尔尼大学天体物理学讲师和NCCR PlanetS成员Christoph Mordasini开始解释的那样。“相反,我们将这些行星的组成与它们的恒星的理论上的冷却版本进行比较。虽然恒星的大部分物质--主要是氢和氦--在冷却时仍然是气体,但有一小部分会凝结,由铁和硅酸盐等岩石形成的物质组成。”

在伯尔尼大学,"伯尔尼行星形成和演变模型"自2003年以来一直在不断发展。Christoph Mordasini说:“对参与行星形成和演化的多种过程的洞察力被整合到了这个模型中”。利用这个模型,研究人员能够计算出冷却下来的恒星的这种岩石形成材料的成分。 Mordasini说:“然后我们将其与岩质行星进行比较。”

行星宜居性的迹象

“我们的结果表明,我们关于恒星和行星组成的假设并没有根本性的错误:岩质行星的组成确实与它们的主星的组成密切相关。然而,这种关系并不像我们预期的那样简单,”该研究的主要作者 Vardan Adibekyan说。科学家们所预期的是,恒星的这些元素的丰度设定了可能的上限。"然而,对于一些行星来说,行星中的铁丰度甚至高于恒星中的铁丰度,"Caroline Dorn解释说,她是这项研究的共同作者,是NCCR PlanetS的成员,也是苏黎世大学的Ambizione研究员。研究人员说:“这可能是由于对这些行星的巨大撞击,打破了一些外部的、较轻的材料,而密集的铁核心仍然存在。因此,该结果可以为科学家提供有关这些行星历史的线索。”

“这项研究的结果对于约束根据质量和半径测量得出的计算密度而假设的行星成分也非常有用,”Christoph Mordasini解释说。Mordasini说:“由于不止一种成分可以适合某种密度,我们的研究结果告诉我们,我们可以根据主星的成分缩小潜在的成分。而且,由于行星的确切成分会影响,例如,它含有多少放射性物质或它的磁场有多强,它可以决定这个行星是否对生命友好。”

使用"行星形成和演化的伯尔尼模型"可以对一个行星是如何形成和如何演化作出说明。伯尔尼模型自2003年以来在伯尔尼大学不断发展。对涉及行星形成和演化的多种过程的洞察力被整合到该模型中。例如,这些是吸积(行星核心的增长)或行星如何在引力上相互作用和相互影响的子模型,以及形成行星的原行星盘中的过程。该模型还被用来创建所谓的种群综合,它显示了在原行星盘的特定条件下,哪些行星的发展频率如何。

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