NASA的斯皮策在天文学会简报上阐述系外行星

NASA的斯皮策在天文学会简报上阐述系外行星

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行星XO-3b有一个内部热源，可能来自潮汐加热，这是由于其母星的引力挤压行星内部造成的。产生的热量可能会因行星略呈椭圆形的轨道（如右图所示）而增加，这意味着行星的形状更像椭圆形而不是圆形。 影像来源：NASA/JPL-Caltech 红外线天文台可能有助于回答有关太阳系外行星或系外行星的问题，包括它们是如何形成的以及是什么驱动了它们大气中的天气。 两项新的研究利用了NASA退役的斯皮策太空望远镜的数据，揭示了巨型系外行星和褐矮星，它们既不是恒星，也不是行星。 这两项研究都将成为1月13日美国天文学会主办的虚拟新闻发布会的焦点。 一项调查显示，褐矮星上的天气随年龄的变化而变化。褐矮星形成类似恒星，但没有足够的质量在其核心开始燃烧氢。褐矮星和巨型系外行星在直径、质量和组成方面相似，所以了解其中一颗的大气特性可以帮助我们了解另一颗的大气特性。 第二项研究是关于热木星的研究，热木星是一种气体系外行星，其运行轨道非常靠近它们的母星。这些巨大的行星是如何形成的？是否有不同形成过程的热木星亚型？为了寻找答案，该研究的作者观察了系外行星XO-3b，这是一个罕见的例子，它在靠近其母星时被观察到。 系外行星类似物 年龄往往会给人类带来稳定，对于宇宙物体来说似乎也是如此。 纽约美国自然历史博物馆的天体物理学家约翰娜·沃斯（Johanna Vos）将讨论发表在《天体物理学杂志》上的一项斯皮策调查，该调查发现与年长的褐矮星相比，年轻褐矮星上的天气变化更大。 关于褐矮星，变异性一词指的是来自该天体大气层的不同波长的红外光强度的短期变化。天文学家认为这些变化是由云层引起的，云层反射并吸收大气中的光。 这张插图显示了云在褐矮星大气中的样子。利用NASA退役的斯皮策太空望远镜，科学家们能够探测到褐矮星大气中的云层和其他天气特征。 影像来源：NASA/JPL-Caltech/IPAC/T. Pyle 高变异性可能表明了一个主要的大气特征，可能就像木星的大红斑——一个比地球更大已经旋转了几百年的风暴。它还可以表明大气的快速变化，这可能有多种原因，例如大气中的主要温差或湍流（有时由强风引起）。 将年轻的褐矮星与之前斯皮策对年长褐矮星的观测结果进行比较，作者发现年轻的天体更有可能表现出大气变化。他们还发现，年轻褐矮星的变化更大、更显着。沃斯和她的同事将这种差异归因于这样一个事实：褐矮星在年轻时更蓬松，但随着年龄的增长变得更紧凑，这可能使大气看起来更均匀。 年轻的褐矮星在直径、质量和成分上与主要由气体构成的巨型系外行星相似。但研究巨型系外行星因其母星的近距离存在而变得复杂：它的伴星会照射行星的大气层，从而改变温度，甚至改变化学成分，并影响天气。这颗恒星发出的明亮光线也使看到这颗暗得多的行星变得更加困难。 另一方面，褐矮星可以作为一种对照组，在太空中被孤立地观察。该研究的作者计划将这项新发现纳入褐矮星和巨型系外行星大气如何随年龄演化的模型中。 迁徙的巨人 尽管热木星是研究最多的系外行星类型，但关于它们如何形成的主要问题仍然存在。例如，这些行星是在远离母星的地方形成的——距离足够冷，水分子等可以变成固体——还是更近？第一种情况更符合我们太阳系中行星是如何诞生的理论，但究竟是什么驱使这些类型的行星迁移到离母星如此近的地方，目前尚不清楚。 蒙特利尔麦吉尔大学的系外行星科学家丽莎·邓和她的同事利用斯皮策的数据研究了一颗名为XO-3b的系外行星，它有一个偏心（椭圆）轨道，而不是几乎所有其他已知热木星的圆形轨道。偏心轨道表明XO-3b最近可能已向其母星迁移；如果是这样的话，它最终会进入一个更圆的轨道。 欧洲航天局（ESA）太空观测站盖亚和斯皮策的观测结果都表明，这颗行星自身会产生一些热量，但科学家不知道原因。斯皮策太空望远镜的数据还提供了一张地方网气候模式的地图。过剩的热量可能是通过一种叫做潮汐加热的专业方法，来自地球内部。恒星对行星的引力挤压随着不规则轨道将行星带离恒星越来越近，从而导致行星振荡。由此产生的内部压力变化会产生热量。 对于邓来说，一颗不寻常的热木星提供了一个机会，来测试哪些形成过程可能会产生这些系外行星的某些特征。例如，其他热木星上的潮汐加热是否也是最近迁移的迹象？单靠XO-3b无法解开这个谜题，但它对这些灼热的巨型行星的新想法起到了重要的检验作用。 关于任务的更多信息 斯皮策在其有生之年收集的全部科学数据可通过斯皮策数据档案馆向公众提供，该档案馆位于加利福尼亚州帕萨迪纳加州理工学院IPAC红外科学档案馆。位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室为华盛顿的美国宇航局科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。 公众可以通过斯皮策太空望远镜数据档案获得在其生命周期内收集的全部科学数据，这些数据档案存放在加州帕萨迪纳市加州理工学院IPAC的红外科学档案馆。位于南加州的NASA喷气推进实验室为位于华盛顿的NASA科学任务理事会管理斯皮策太空望远镜任务。 科学操作在IPAC的斯皮策科学中心进行。航天器运行基地设在科罗拉多州利特尔顿的洛克希德·马丁航天公司。 参考来源： https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-spitzer-illuminates-exoplanets-in-astronomical-society-briefing

NASA的TESS在年轻恒星的星流中发现了新的世界

NASA的TESS在年轻恒星的星流中发现了新的世界

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通过美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星(TESS)的观测，一个国际天文学家团队发现了三个比地球大的热星球，围绕着一个年轻得多的名为TOI 451的恒星运行。该系统位于最近发现的双鱼座-波江座星流中，这是一组年龄不到我们太阳系3%的恒星，横跨了三分之一的天空。 这张插图勾勒出TOI 451的主要特征，这是一个位于波江座400光年之外的三重行星系统。 来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心 这些行星是在2018年10月至12月间拍摄的TESS照片中发现的。对TOI 451及其行星的低阶研究包括2019年和2020年使用NASA的斯皮策太空望远镜（现已退役）以及许多地面设施进行的观测。NASA近地天体广域红外探测卫星(NEOWISE)在2009年到2011年期间收集的红外数据显示，该系统保留着由尘埃和岩石碎片组成的冷盘。其他观察显示，TOI 451可能有两个遥远的恒星伴星，在远离行星的地方相互环绕。 “这个系统检查了天文学家的许多情况，”领导这项研究的新罕布什尔州汉诺威达特茅斯学院(Dartmouth College)物理学和天文学助理教授伊丽莎白·牛顿(Elisabeth Newton)说，“它只有1.2亿年的历史，距离我们只有400光年，我们可以对这个年轻的行星系统进行详细的观察。而且因为有三颗行星的大小是地球的2到4倍，它们为测试行星大气如何演化的理论提供了特别有希望的目标。” 一篇报道这一发现的论文发表在1月14日的《天文学杂志》上，并可在网上查阅。 当星系的引力将星团或矮星系撕裂时，就会形成恒星流。单个恒星沿着星团最初的轨道向外移动，形成一个拉长的星团，并逐渐分散。 2019年，维也纳大学(University of Vienna)斯特凡·梅因格斯特(Stefan Meingast)领导的一个团队使用了欧洲航天局(European Space Agency)盖亚(Gaia)任务的数据，发现了双鱼座-波江座星流，该星流以恒星密度最大的星座命名。星流横跨14个星座，大约有1300光年长。然而，最初确定的星流年龄比我们现在认为的要久远得多。 2019年晚些时候，由纽约哥伦比亚大学杰森·柯蒂斯(Jason Curtis)领导的研究人员分析了数十个星流的TESS数据。年轻的恒星比年老的恒星旋转得更快，而且它们往往有明显的恒星黑子——像太阳黑子一样的黑暗、寒冷的区域。当这些黑点在我们的视野之内或之外旋转，它们会在TESS可以测量的恒星亮度上产生微小的变化。 TESS的测量结果显示了压倒性的证据，证明了恒星黑子的存在以及恒星间的快速旋转。根据这个结果，柯蒂斯和他的同事们发现这个星系团只有1.2亿年的历史——与著名的昴宿星团相似，比之前估计的年龄小8倍。质量、年轻和靠近双鱼座-波江座星流使它成为研究恒星和行星形成和进化的令人兴奋的基础实验室。 “多亏TESS几乎覆盖了整个天空，我们在发现这条星流的时候就可以通过测量来寻找围绕这条流成员的行星，”论文的合著者之一、NASA系外行星档案馆的科学副主管杰西·克里斯蒂安森(Jessie Christiansen)说，该档案馆是一个研究太阳系以外世界的设施，由加州帕萨迪纳的加州理工学院管理。“在未来的几年里，TESS的数据将继续让我们突破我们对系外行星及其系统的认知极限。” 年轻的恒星TOI 451，也就是天文学家熟知的CD-38 1467，位于400光年之外的波江座。它的质量是太阳的95%，但它比太阳小12%，温度略低，释放的能量也少35%。TOI 451每5.1天自转一周，比太阳快5倍多。 TESS通过寻找凌日现象来发现新的世界，凌日现象是一颗行星从其恒星前面经过时发生的轻微而有规律的变暗现象。三颗行星的凌日现象在TESS的数据中都很明显。牛顿的研究团队从斯皮策望远镜获得的测量数据支持了TESS的发现，并帮助排除了其他可能的解释。后续观测来自拉斯坎布瑞斯天文台——一个总部设在加州戈莱塔的全球望远镜网络——和澳大利亚珀斯系外行星调查望远镜。 即使是TOI 451最遥远的行星，其轨道距离也比水星离太阳的距离近三倍，所以所有这些世界都非常热，正如我们所知，不适合生命生存。温度估计范围从最内层的2200华氏度(1200摄氏度)到最外层的840华氏度(450摄氏度)。 TOI 451 b轨道每1.9天运行一次，大约是地球大小的1.9倍，估计质量是地球的2到12倍。下一颗行星，TOI 451 c，每9.2天绕轨道运行一圈，大约是地球的3倍，质量是地球的3到16倍。最大最远的行星TOI 451 d，每16天绕恒星一周，是我们行星的4倍大，质量在地球的4到19倍之间。 天文学家预计，尽管它们附近的恒星散发着强烈的热量，但像这样大的行星仍能保留大部分大气层。当一个行星系统达到TOI 451的年龄时，大气如何演化的不同理论预测了各种性质。观察穿过这些行星大气层的星光，为研究这一阶段的发展提供了机会，并有助于约束目前的模型。 双鱼座-波江座星流横跨1300光年，横跨14个星座和三分之一的天空。黄点表示已知或可疑成员的位置，并圈出TOI 451。TESS的观测显示，这条星流大约有1.2亿年的历史，与位于金牛座的著名的昴宿星群(左上)相当。 来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心 “通过测量以不同波长穿透行星大气的星光，我们可以推断其化学成分以及云层或高空烟雾的存在，”位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家埃莉莎·昆塔纳说。“TOI 451的行星为哈勃和即将到来的詹姆斯·韦伯太空望远镜的研究提供了极好的目标。” WISE的观测显示，该系统在波长为12微米和24微米的红外光下异常明亮，而人眼是看不见红外光的。这表明了碎片盘的存在，在那里岩石状的小行星撞击并将自己磨成尘埃。虽然牛顿和她的团队无法确定圆盘的范围，但他们设想它是一个由岩石和尘埃组成的弥散环，其中心距离恒星的距离就像木星距离太阳的距离一样远。 研究人员还研究了一颗微弱的邻近恒星，它出现在TESS图像中，距离TOI 451大约两个像素。根据盖亚的数据，牛顿的团队确定这颗恒星是一个受引力约束的伴星，它离TOI 451太远，它发出的光需要27天才能到达那里。事实上，研究人员认为这个伴星很可能是由两颗M型矮星组成的双星系统，每颗恒星的质量都是太阳的45%，释放的能量仅有太阳的2%。 TESS是美国宇航局的天体物理探索任务，由麻省理工学院领导和运营，由美国宇航局戈达德太空飞行中心管理。其他合作伙伴包括弗吉尼亚州福尔斯彻奇的诺斯罗普·格鲁曼公司；美国宇航局位于加州硅谷的艾姆斯研究中心；马萨诸塞州剑桥的哈佛和史密森尼天体物理中心;麻省理工学院的林肯实验室；以及巴尔的摩的太空望远镜科学研究所。全世界有十多所大学、研究机构和天文台参与了这项任务。 位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室为位于华盛顿的美国宇航局科学任务理事会管理近地天体广角红外线探测望远镜（Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey Explorer, NEOWISE）。科罗拉多州博尔德的鲍尔航空航天技术公司建造了这艘飞船。科学数据处理工作在帕萨迪纳加州理工学院的IPAC进行。加州理工学院为美国宇航局管理喷气推进实验室。 来源： https://www.nasa.gov/feature/goddard/2021/nasa-s-tess-discovers-new-worlds-in-a-river-of-young-stars

“再电离”之谜的新线索：来自遥远星系的第一束光

“再电离”之谜的新线索：来自遥远星系的第一束光

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这张天空深场视图（deep-field view）由NASA哈勃望远镜和斯皮策太空望远镜拍摄，图中主要是星系，包括一些非常微弱、遥远的星系 （红色圈出）。右下方插图显示的是在长时间观测期间从其中一个遥远星系收集的光。 Credits: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe NASA斯皮策太空望远镜（Spitzer Space Telescope）透露，宇宙中一些最早的星系比预期的要亮。额外的光来源于星系的副产品——大量的电离辐射（ionizing radiation）。这一发现提供了引发“再电离时期（Epoch of Reionization）”的线索，EoR是宇宙演化过程中的一个重要事件，此后宇宙从不透明的“混沌”变为今日所见的满天繁星。 在一项新研究中，研究人员报告了一些最早期星系的观测结果，它们是在大爆炸后不到10亿年（或130多亿年前）形成的第一波星系。数据显示，在一些特定波长的红外光中，这些星系比科学家预测的要亮得多。这项研究第一个证实了此现象：这一时期的大量星系样本都具有超过预期的亮度，表明这些“亮度过高”不是特殊情况。 [rml_read_more] 没有人知道我们宇宙中的第一批恒星是什么时候形成的。但是有证据表明，在大爆炸后大约1亿到2亿年之间，宇宙中充满了中性氢气（neutral hydrogen gas），它们可能刚刚开始凝聚成恒星，然后开始形成第一个星系。在大爆炸后约10亿年，宇宙变成闪耀的星空。中性氢气的电子被有足够能量的光子剥离（此过程称为电离），“再电离时期”记录了宇宙从充满中性氢转变为充满电离氢（ionized hydrogen）的阶段。 在整个宇宙的转变之前，波长较长的光，比如无线电波（radio waves）和可见光（visible light），基本都能不受阻碍地穿越宇宙。但波长较短的光，包括紫外线（ultraviolet light）、X射线（ X-rays）、和伽马射线（gamma rays），会被中性氢原子阻止。光子的能量与波长成反比，所以波长较短的光能量高。当具有大于氢原子电离能（ionization energy）的光子撞到无处不在的氢原子时，这些碰撞会剥离中性氢原子的电子，使它们电离。 这张概念图描绘了宇宙中最早星系可能的样子。高频率且猛烈的恒星形成与恒星死亡会照亮恒星之间的气体，使得星系大部分不透明、没有清晰的结构。 Credits: James Josephides (Swinburne Astronomy Productions) 但什么能产生足够的电离辐射来影响宇宙中的所有氢呢？是单独的恒星？或是巨大的星系？如果其中一个是“罪魁祸首”，那么说明这些早期宇宙的殖民者与大多数现代恒星和星系不同，后者通常不释放大量的电离辐射。或许其他东西引起了这一事件，例如类星体（quasars），它们是中心非常明亮的星系，有着大量物质驱动的超大质量黑洞。 “这是观测宇宙学中最大的开放式问题之一，”该研究的第一作者、瑞士日内瓦大学的博士后研究员Stephane De Barros说，“我们知道它发生了，但是是什么导致了它？这些新发现可能是一个很大的线索。” 追光 为了回到“再电离时期”即将结束之前的时代，斯皮策分别盯着两个天空区域超过200小时，收集了“走了”超过130亿年才到我们这儿的光。 作为斯皮策有史以来进行的最长的科学观测，这是GREATS观测计划的一部分。GREATS是斯皮策GOODS Re-ionization Era wide-Area Treasury的简称（GOODS是Great Observatories Origins Deep Survey，大型天文台宇宙起源深空场巡天的缩写）。该研究同时使用了NASA哈勃太空望远镜的档案数据，研究结果发表在英国皇家天文学会（Royal Astronomical Society）月刊上。 通过斯皮策这些“超深”的观测，天文学家团队观测了135个遥远的星系，发现它们在两个特定波长的红外光中都特别明亮，这些红外光是由电离辐射与星系内的氢气和氧气相互作用产生的。这意味着这些星系主要由年轻的大质量恒星组成，而这些恒星的主要成分是氢（H）和氦（He）。与普通现代星系中发现的恒星相比，它们含有非常少量的“重”元素（比如氮、碳、氧，以及所有比氢和氦重的元素）。 这些恒星不是宇宙中形成的第一波恒星（仅由氢和氦组成），但它们仍是早期恒星的成员。“再电离时期”不是一个瞬间事件，虽然新研究结果还不足以揭示真相，但它确实提供了一些新细节，有关于宇宙如何在这个阶段演化以及过渡是如何完成的。 “我们没想到，斯皮策还没呼拉圈儿大的镜面能够看到‘黎明时刻’的星系，” 喷气推进实验室（位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市）的斯皮策项目科学家Michael Werner说道，“但大自然充满惊喜，这些早期星系的意外亮度，加上斯皮策的卓越表现，使我们小而强大的天文台发现了这些星系。” NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）将于2021年发射，它的红外线覆盖范围将超出斯皮策。此外，斯皮策的主镜直径只有85厘米，而韦伯有6.5米，大约是斯皮策的7.5倍，这使韦伯能够更详细地研究这些星系。事实上，韦伯将试图探测来自宇宙中第一批恒星和星系的光。新的研究表明，由于它们在这些红外波长中的亮度，对于韦伯来说，研究斯皮策观测到的星系比之前认为的更容易。 “斯皮策的这些结果必定是解决宇宙再电离之谜的又一步，”日内瓦大学助理教授、该研究的共同作者Pascal Oesch说，“我们现在知道，这些早期星系的物质条件与现在典型的星系非常不同。韦伯的目的就是告诉我们详细的原因。” JPL负责管理NASA科学任务理事会的斯皮策太空望远镜任务。加州理工学院的斯皮策科学中心负责科学运营。洛克希德马丁太空系统（位于科罗拉多州利特尔顿）负责太空运营。数据存储在加州理工学院IPAC的红外科学档案。加州理工学院为NASA管理JPL。 有关斯皮策的更多信息，请访问： http://www.nasa.gov/spitzer www.spitzer.caltech.edu/ 参见 https://www.nasa.gov/feature/jpl/new-clues-about-how-ancient-galaxies-lit-up-the-universe