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    《星球大战》中有两个太阳的塔图因星球,宇宙中或许多的是!

    2016年1月8日 作者:唧唧堂
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    文章首发于唧唧堂网站,作者:唧唧堂研究人王善钦

    《星球大战》中拥有两颗太阳的沙漠星球真的存在吗?答案是肯定的,天文学家已经发现了好几颗,并表示或许还存在更多更多等待发现。

    1. 双太阳系统与二体运动

    广袤的宇宙中存在着无数类似于太阳的恒星,它们有的和太阳一样“单身”却带着一群行星,有的成双成对,有的甚至是与其他好几个太阳“群居”。那些成双成对的双星(“两个太阳”)如何运动?牛顿力学早已证明,它们围绕着共同的中心(“质心”)绕转,对应的运动被称为“二体运动”。图1是二体运动的模式之一。


    图1:红色十字为两个星体的质心,两个星体绕着这个点旋转(wiki,binary star 词条)

    地球绕太阳旋转也是类似的情况,只是太阳质量远超过地球,质心非常靠近太阳中心,在太阳内部,所以才近似地说“地球绕太阳旋转”,严格地说,是太阳与地球都绕着质心旋转,如图2。


    图2:太阳-地球系统(wiki,binary star 词条)

    单个太阳的系统中有行星,这是确定无疑的事情。人们感兴趣的是:“双太阳”系统也会拥有行星吗?

    1977年的科幻电影《星球大战》中,空行者(Skywalker)家族所在的星球围绕着两个太阳旋转,在这个星球上,可以看到双日落的情景。这是一个沙漠化的星球,名为“塔图因(Tatooine)”,从此,双星系统中的行星就被科幻迷与天文学家称为“塔图因”。

    塔图因显然只能存在于太阳系之外。所有太阳系之外的行星都被统称为“系外星系”(exoplanets)。因此在讲述塔图因的观测之前,先简单介绍系外行星的观测。


    图3:天行者在塔图因星球上看到双日落(来源:网络)

    确认系外行星极其困难,因为恒星太亮,行星反射的光相比起恒星,微乎其微,就如在千里之外看熊熊大火边的一只萤火虫。因此人类用了特别的技巧去识别系外行星。这个技巧的原理类似于水星/金星凌日。水星/金星穿过地球与太阳之间的时候,会遮挡一部分太阳光,导致太阳亮度变暗,这个现象被称为“凌日”。图4为紫金山天文台威海观测组拍摄到的金星凌日现象(2012年)。


    图4:紫金山天文台拍摄到的金星凌日现象(2012年)

    对于系外行星而言,也有类似情况。这些行星穿过地球与恒星之间时,遮挡了一部分光,使得恒星亮度降低,天文学家据此判断出有行星经过。

    利用这个技巧,天文学家陆续发现了一些系外行星。美国太空总署(NASA)的Kepler望远镜于2009年3月7日升空后,更是带来了这个领域的飞跃性的发展。Kepler是围绕太阳运动的0.95米口径的望远镜,它监测着银河系内天鹅座与天琴座附近区域内的15万5千颗左右的恒星的亮度变化,据此判断是否有行星遮挡了所观测的恒星的光芒。截止2015年1月,Kepler望远镜确认了440多个恒星系统中的1013颗行星,此外还有3199颗未被确认的候选者。


    图5:Kepler望远镜(来源:wiki,Kepler (spacecraft)词条)

    2011年9月,以Doyle为首的天文学家们的观测与分析证实Kepler望远镜发现了“塔图因”,相关的研究文章发表于《科学》(Science)(http://www.sciencemag.org/content/333/6049/1602.full)。

    Doyle等人的分析表明,这是一个“掩食双星”系统,并将其命名为Kepler-16,其中大的那颗被称为Kepler-16A,小的那颗被称为Kepler-16B。它们绕转的周期为41天。

    我们先看看掩食双星的成因。如果我们观测的双星的轨道面恰好与我们的观测视线平行,那么双星会周期性地互相遮掩自己的伴侣,类似于日食,这就是“掩食双星”。由于双星大小一半不同,大的掩食小的时候,几乎把小的光芒完全掩盖;小的掩食大的时候,一半只挡住一部分光。

    在Kepler-16系统中,B星掩食A星时,整个系统亮度降低13%(如图6,左1),A掩食B的时候,B被完全遮挡,系统的亮度仅降低1.6%(如图6,左2);研究者们认为,这是因为B的亮度低得多。.

    图6:掩食导致的亮度变化(上)及细节(下)(Doyle等人,2011,Science)

    仅有双星互相掩食的证据还不够,还需要有行星掩食双星的证据。天文学家们观测到也观测到了后者。当行星掩食A时,系统亮度降低1.7%(如图6,左3);掩食B时,系统亮度降低0.1%(如图6,右)。这证明了第三个星体的存在,因此被确认为双星系统携带的行星。至此,第一颗“塔图因”星被确认,科幻电影中的想象成为现实。必须特别注意,图中纵坐标大小不同,第1个是从1降到0.87,第2个降到0.984,第3个降到0.983,第4个降到0.999。

    天文学家们根据计算,得到了双星与伴随的塔图因的质量、半径等重要性质。根据分析,这颗塔图因星与土星(Saturn)的大小差不多,因此它上面是无法存在人类的。虽然这个“塔图因”距离双太阳的距离与地球距离太阳的距离差不多,但因为双太阳都没有太阳亮,因此它也比较冷:被探测到时的温度大约为零下100到零下70摄氏度,比地球低100度左右,季节变换导致的温度变化范围也仅为30度,因此即使是它上面的夏天,也和地球的地球南极差不多冷。如果有人能够克服种种困难,站到这颗行星上,就会看到双日落的奇特景观。


    图7: 双星中的伴星与所带的行星掩食主星时的艺术想象图(来源:网络)

    这个结果鼓舞了系外行星专家。2012年,Welsh等人在《自然》(Nature)上发表论文(http://www.nature.com/nature/journal/v481/n7382/full/nature10768.html),宣称发现了另外两个塔图因,它们分别被命名为Kepler-34b与 Kepler-35b,对应的“双太阳”分别为Kepler-34 (AB)与Kepler-35 (AB)。它们的轨道都与对应的双星轨道几乎重合。其中,Kepler-34b围绕的两个恒星都与太阳类似,公转周期为289天。Kepler-35 b 围绕的两个恒星的质量分别为太阳的89%与81%,公转周期为131天。

    这两个塔图因都是气态行星。Welsh等人认为,根据他们的观测发现率,密近双星中越1%的成员拥有气体行星,Welsh等人认为:银河系中的环绕类似于双太阳系统的塔图因至少有100万颗。

    如果考虑到一些塔图因环绕的恒星与太阳很不同,那么银河中的塔图因的总数又将大大超过100万。

    至今为止,Kepler望远镜已经在8对双星系统中发现10个塔图因,双星环绕周期从7.5到约41天之间,行星公转周期为50天到250天之间(参考Munoz与赖东文章的引论,见下节)。

    4. 可能有更多塔图因被错过

    2011年的轰动性结果已经证明,双星系统确实可以存在行星。但只有双星距离足够远,绕转周期足够长,轨道平面与行星轨道平面基本重合,才有可能通过类似于“凌日”的现象来确认存在行星。

    但宇宙中存在大量距离非常近的双星。它们原本也可能距离足够远,但因为引力波辐射以及其他可能的机制,距离缩小,绕转周期可能只有数天。

    最近,康奈尔大学博士后Munoz与该校天文学教授赖东最近发表的论文认为,对于那些靠得足够近的双星,由于轨道面不重合,导致“凌日”现象无法出现,无法通过这个方法来观测。这种情况下,即使人们可以看到“掩食双星”,也无法探测到行星遮挡恒星所引发的亮度降低现象。

    类似的情况在太阳系中也存在。由于地球的公转轨道面与月球公转轨道面存在5度的夹角,当月球经过太阳-地球之间时,有时候可以挡住前往地球的太阳光,因此地球上观测到日食;有时候无法挡住前往地球的阳光,因此无法观测到日食。这也是日食很罕见的根本原因。

    Munoz与赖东认为,“塔图因”中的一部分在观测中遗失了,它们的数目可能比人们预期的多。对于那些靠得很近的双星,即使有塔图因,我们也观测不到它遮挡恒星的现象。因此,它们在我们的观测中,它们丢失了。

    Munoz与赖东提出,可以通过观察“塔图因”对双星的扰动,来确认更多“塔图因”的存在。Munoz说:“当前的观测策略不可避免地丢失了一类‘塔图因’行星,但未来的观测可能会证明它们是存在的。”这个发现于2015年7月发表于《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America),论文见http://www.pnas.org/content/112/30/9264.abstract。

    Munoz说,空行者从他所在的行星“塔图因”上看见双太阳的情景,这一度是虚构的,但现在这成为天文上的真实。这个说法是不恰当的,如前所说,早在2011年,Kepler望远镜就已经发现了“塔图因”,当时的媒体已经使用了类似的说法,即,科幻中的描写成为现实。

    受Munoz的说法的误导,一篇介绍这个成果的新闻(原文:http://www.futurity.org/stars-wars-planets-suns-960572/)起了这样的标题:‘Sibling suns’from Star Wars: More than science fiction?(《来自<星球大战>的双太阳:不仅仅是科幻?》)。

    这个标题存在很大的问题。寻找双太阳并不困难,难的是确认双太阳系统中的行星;更进一步,Munoz与赖东的论文的主题是“如何寻找更多塔图因”,而不是“首次证实塔图因不仅仅是科幻概念”,他们的论文摘要中也已强调塔图因已经被之前的观测发现:“在过去一些年中,围绕双恒星的行星(有时被称为‘塔图因行星’)是天文学中的一个主要发现,它们对我们如何理解行星形成提出了重大挑战。原文为:The detection of planets around binary stars (sometimes called “Tatooine planets”) in the last few years signified a major discovery in astronomy and posed a significant challenge to our understanding of planet formation.”

    至此,我们可以根据人类的探测方式,将塔图因(Tatooine)分为两类:一种是可以通过“凌日法”观测到的(2011年被确认);另一种不可以用“凌日法”、但可根据双星系统受到的扰动来推断其存在(2015年被预测)。前者已经被观测到,后者还需要以后的观测来证实。我们期望未来的观测能通过后一种方法确认出多得多的塔图因。

    论文原文

    Survival of planets around shrinking stellar binaries

    Diego J. Mu?oz and Dong Lai

    PNAS July 28, 2015 vol. 112 no. 30

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