TESS上演“帽子戏法”：发现3颗大小特殊的系外行星

美国航空航天局（NASA）最新的行星猎手，凌星系外行星巡天卫星“苔丝”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS），发现了一个全新的三行星世界：其中一颗行星半径略大于地球，另外两颗的大小属于我们的太阳系中没有的行星类型，共同围绕邻近我们的一颗恒星运转。

太阳系内的行星个头要么大要么小，比如水星、金星、地球和火星属于小型岩质行星，木星、土星属于气态巨行星，终年寒冷的天王星和海王星则属于冰态巨行星。新发现的3颗行星填补了可观测的已知行星大小空白，有望成为未来多项研究的探索对象。

天文学家将这3颗行星所在的星系称为“苔丝”感兴趣的对象（TESS Object of Interest，TOI）270系统，主星TOI 270是一颗光芒较弱的低温星体，它还有一个更常见的系统目录命名：UCAC4 191-004642。这颗M型红矮星（M dwarf）比太阳的大小和质量都小了差不多40%，表面温度大约只有太阳的三分之二。整个行星系统位于南天星座绘架座（Pictor）之中，距离我们约73光年。

上面的信息图表显示了TOI 270系统的主要特征，该系统位于南天星座绘架座，距离我们大约73光年远。通过每颗行星运行时引起的恒星周期性亮度下降，NASA的凌星系外行星巡天卫星“苔丝”发现了这三颗新的行星。3个行星的信息小插图显示了各自的相关信息，包括它们的相对大小，以及它们与地球相比的情况，其中给出的行星温度是平衡温度，计算时未计入任何可能大气的温室效应。
图片来源：NASA戈达德航天飞行中心、斯科特•维辛格（Scott Wiessinger）

“这个系统正是TESS最初设计时希望发现的对象：围绕一颗相对不那么活跃、缺乏剧烈恒星活动（如耀斑，flare）的主星运行的小型温带气候行星，”项目的首席研究员马克西米利安•金特（Maximilian Günther）说道，“这颗恒星很安静，距离我们非常近，因此看起来比同类系统的主星更明亮。通过更进一步的后续观察，我们很快就能确定这些行星的构成，弄清楚它们的外围是否存在大气层，以及大气中的气体成分等相关信息。”金特是位于剑桥市的麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）卡弗里天体物理与空间研究所（Kavli Institute for Astrophysics and Space Research）的博士后研究员。

对该系统的相关描述已经议论文的形式发表在了《自然•天文学》（Nature Astronomy）杂志上，可以在线查阅。

将TOI 270系统中的3个行星世界通过信息插图进行对比。TOI 270系统中3颗行星的温度是平衡温度，计算时不考虑任何可能大气的温室效应。
图片来源：NASA戈达德航空飞行中心

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系统中最内部的行星TOI 270b，很可能是一个岩质星球，大小比地球大四分之一左右。TOI 270b绕主星公转的周期为3.4天，离主星的距离大约比水星距离太阳要近13倍。研究团队对相似大小的系外行星进行了统计学分析，估算出TOI 270b的质量大约比地球大1.9倍。

由于TOI 270b非常靠近主星，这颗星球热得就像一个高温烤炉一样，平衡温度（equilibrium temperature，仅由行星从恒星那里接收到的能量计算而得，忽略了额外可能的大气温室效应）高达490华氏度（大约254摄氏度）。

另外两颗行星TOI 270 c和TOI 270 d的大小分别是地球的2.4倍和2.1倍，质量分别约为地球的7倍和5倍，绕主星公转的周期分别是5.7天和11.4天。虽然这两颗行星只有我们太阳系中海王星大小的一半，但和海王星的性质却非常相似，主要由气体构成，而不像TOI 270b一样布满岩石。

科学家估计，所有这3颗行星都被中心的恒星永恒地“锁住了”，也就是说它们每公转一圈时也恰好会自转一圈，面对着主星的永远是行星的同一面，就和月球绕地球运转的情况一样。

目前，对TOI 270 c和TOI 270 d最好的描述是“迷你海王星”，因为这两颗行星的大小在我们的太阳系中并没有比较好的对应行星。研究人员希望后续对TOI 270系统的深入研究能揭示这两颗迷你海王星形成的秘密，尤其是它们的邻居是一颗大小与地球相近的行星。

“关于这个系统，还有一件有趣的事，那就是其中的3颗行星跨越了已知行星大小的公认差距，”论文的共同作者、比利时列日大学（University of Liège）的博士后研究员弗兰•波苏埃洛斯（Fran Pozuelos）说道，“基于行星形成方式的相关原因，一颗行星的大小介于地球大小的1.5倍到2倍之间是非常少见的，但这个话题目前仍备受争议。TOI 270是一个很好的‘实验室’，让我们能对这种行星尺寸的极值进行研究，也将有助于我们更好地了解行星系统的形成与发展。”

金特的研究团队对系统中最外层的行星TOI 270 d尤为感兴趣，他们估算出的TOI 270 d行星平衡温度约为150华氏度（66摄氏度），也就是说它是系统中环境最为温和的行星世界，也因此是凌星行星（transiting planet）中非常少见的“稀罕物”。

“TOI 270在宇宙中处于完美的位置，让我们能用NASA将要发射的詹姆斯•韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope，预计于2021年3月发射）研究系统中的外层行星大气，”论文的共同作者、芝加哥大学（University of Chicago）的博士生阿迪娜•费恩斯坦（Adina Feinstein）说道，“韦伯望远镜将能对他进行超过半年的长期观测，让研究人员能对TOI 270 c和TOI 270 d的大气构成进行真正有意思的比较研究。”

图中所示，TOI 270系统的整体结构非常紧密，与我们太阳系中的木星与其卫星系统的整体尺寸最为接近。
图片来源：NASA戈达德航天飞行中心（上图适合手机横屏观看）

研究团队希望，进一步的深入研究或许可以揭示出现在已知的3颗行星之外的其他行星，如果TOI 270 d有一个岩质星核，却被稠密的大气包围覆盖了，那么它的表面温度就会过高，以至于液态水无法存在，而液态水则是生命宜居的关键因素。但是，后续的研究可能会发现新的岩质行星，距离主星更远因而表面温度更低，也就可能会有液态水的存在。

TESS是NASA天体物理学探索计划（Astrophysics Explorer）的任务之一，由位于马萨诸塞州剑桥市的麻省理工学院（MIT）主导研究，由NASA戈达德航天飞行中心（Goddard Space Flight Center）管理。其他合作伙伴包括位于弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普•格鲁曼公司（Northrop Grumman）、NASA位于加州硅谷的艾姆斯研究中心（Ames Research Center）、马萨诸塞州剑桥市的哈佛 – 史密森天体物理学中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）、麻省理工学院林肯实验室（Lincoln Laboratory），以及位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所（Space Telescope Science Institute）。全世界有十几所大学、研究所和观察站参与了这项任务。

参考：
[1]https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-s-tess-mission-scores-hat-trick-with-3-new-worlds
[2]https://www.nature.com/articles/s41550-019-0845-5