當前位置: 華文世界 > 科學

已知公轉周期最長的行星,110 萬年經歷一次完整公轉,過一次年

2024-07-21科學

在浩渺無垠的宇宙時空裏,時間與空間交織成一幅深邃而宏大的畫卷,等待著人類智慧的筆觸去勾勒、探索和解讀。「年」,這個在我們日常生活中習以為常的計時單位,其本質是地球圍繞太陽公轉一周所經歷的時長。然而,當我們的視野從熟悉的地球家園拓展到太陽系之外的廣袤星際空間時,「年」的概念呈現出了超乎尋常的多樣性和復雜性。

在我們所處的太陽系內,行星們以各自獨特的軌域和速度圍繞著太陽執行,由此產生了各不相同的公轉周期。水星,作為距離太陽最近的行星,它在熾熱的太陽懷抱中高速穿梭,繞太陽公轉一周,以地球的時間尺度來衡量,僅需大約 88 天。相比之下,海王星,這顆位於太陽系邊緣的冰冷巨行星,由於其距離太陽極為遙遠,公轉軌域漫長,繞太陽一圈大約相當於地球上的 165 年。

然而,當我們將目光投向更為遙遠的宇宙深處,那些存在於太陽系之外的行星世界,更是為「年」的概念賦予了超乎想象的定義。在眾多系外行星之中,有一顆名為「COCONUTS - 2 b」的行星,以其極為特殊的公轉周期吸引了科學界的高度關註和深入研究。

「COCONUTS - 2 b」的公轉周期約為 110 萬個地球年。這意味著,如果以我們地球上的時間觀念和生活節奏來衡量,在「COCONUTS - 2 b」上,大約每 110 萬年才會經歷一次完整的公轉,才會迎來一次「新年」的更替。這樣漫長的時間跨度,對於人類短暫的生命歷程和有限的認知而言,簡直是難以想象的天文數碼。

「COCONUTS - 2 b」位於遙遠的蝘蜓座,距離我們的地球大約 35 光年。盡管在宇宙的尺度上,35 光年的距離或許只是滄海一粟,但對於目前人類的科技水平糊探索能力來說,這無疑是一段極為遙遠而充滿挑戰的空間距離。

從觀測數據和科學分析的角度來看,「COCONUTS - 2 b」是一顆氣態巨行星,在諸多特征和性質上與我們太陽系中的木星存在一定的相似之處。然而,在一些關鍵的物理參數和特性方面,「COCONUTS - 2 b」又展現出了獨樹一幟的特點。就其大小而言,「COCONUTS - 2 b」的半徑約為木星的 1.12 倍;而在質素上,它更是達到了木星的 6.3 倍左右。

圍繞著「COCONUTS - 2 b」執行的主恒星是被命名為「COCONUT - 2A」的天體。「COCONUT - 2A」是一顆紅矮星,其質素大約只有我們太陽系中心的太陽的三分之一。紅矮星的特點是光度相對較低、表面溫度較低,並且在恒星的演化過程中具有與太陽等普通恒星不同的特性和規律。

海王星,作為太陽系中距離太陽最遠的行星,與太陽之間的平均距離大約有 30 個天文單位(一個天文單位是指地球到太陽的平均距離)。然而,「COCONUTS - 2 b」與它的主恒星「COCONUT - 2A」之間的距離,卻高達約 7506 個天文單位。如此巨大的距離差異,使得「COCONUTS - 2 b」圍繞主恒星的公轉軌域變得極為漫長,其公轉周期大約每 110 萬年才能夠完成一次完整的迴圈。

在人類探索系外行星的漫長歷程中,科學家們發展和運用了多種先進的觀測技術和研究方法。在大多數情況下,系外行星的發現和研究往往依賴於對其主恒星的間接觀測和分析。例如,當一顆行星在其執行軌域上經過主恒星的前方時,會短暫地遮擋主恒星發出的部份光線,導致我們觀測到的主恒星的光度出現微小的下降。透過對這種光度變化的精確觀測和分析,科學家們可以推斷出該行星的存在、大小、軌域半徑等重要參數。

另一種常用的方法是透過觀測主恒星在行星重力作用下產生的微小「晃動」。當行星圍繞主恒星公轉時,由於行星的重力作用,主恒星會在其所在的空間位置上發生極其微小的往復運動。透過對這種「晃動」的高精度測量和分析,科學家們同樣可以推斷出行星的存在以及相關的物理參數。

然而,對於「COCONUTS - 2 b」這顆特殊的行星來說,上述傳統的發現和研究方法都面臨著巨大的挑戰和局限。由於「COCONUTS - 2 b」與主恒星「COCONUT - 2A」之間的距離實在是太過遙遠,傳統方法中由於行星遮擋主恒星光線或者行星重力導致主恒星「晃動」所產生的訊號都過於微弱,以至於幾乎無法被現有的觀測器材和技術所捕捉和辨識。

在這樣的背景下,「COCONUTS - 2 b」的發現得益於其獨特的物理特性——它自身會「發光」。具體而言,「COCONUTS - 2 b」的表面溫度大約為 160 攝氏度。這樣的溫度使得「COCONUTS - 2 b」在紅外波段下呈現出明顯的熱輻射特征。科學家們正是透過基於紅外線波段的先進觀測器材,成功捕捉到了「COCONUTS - 2 b」在紅外波段下的輻射訊號,從而實作了對它的發現和初步觀測,並透過進一步的觀測和數據分析,對它進行了直接成像。

「COCONUTS - 2 b」的發現,不僅為我們揭示了宇宙中一種全新類別的行星存在形式,也為行星科學和天體物理學的研究帶來了一系列新的問題和挑戰。其中,最為引人關註和亟待解決的問題之一,便是「COCONUTS - 2 b」的表面為何會具有如此高的溫度。

從「COCONUTS - 2 b」與主恒星「COCONUT - 2A」之間的距離以及「COCONUT - 2A」作為一顆紅矮星的性質和光度來分析,「COCONUTS - 2 b」從主恒星接收到的熱量輻射極為有限,遠遠不足以使其表面溫度達到 160 攝氏度。因此,要解釋「COCONUTS - 2 b」表面的高溫現象,我們必須深入研究其內部的熱量產生和傳遞機制。

為了探究「COCONUTS - 2 b」內部熱量的來源,科學家們依據現有的行星形成和演化理論進行了深入的研究和分析。從理論上講,行星內部的熱量主要有以下三種來源:

第一種熱量來源是行星在形成之初所獲得的熱量。行星的形成是一個漫長而復雜的過程,一般認為是由大量的物質透過不斷地碰撞、吸積和聚合逐漸形成的。在這個過程中,構成行星的物質在重力的作用下相互吸引、聚集,物質之間的相對位置發生變化,重力勢能逐漸降低,而這部份降低的重力勢能則以熱量的形式釋放出來。

這種在行星形成初期由於重力勢能轉化而產生的熱量,對於行星的早期演化和發展具有至關重要的作用。大量的熱量使得新生的行星處於高溫、高壓的環境中,物質的物理和化學狀態發生劇烈變化,驅動了行星內部的物質分異、對流和化學反應等過程。

以地球為例,在地球形成的早期階段,大量的小行星和星際物質不斷碰撞、合並,形成了原始地球。在這個過程中,由於物質的重力吸積和碰撞,釋放出了大量的熱量,使得原始地球處於熔融狀態,形成了地球的地核、地幔和地殼等結構。

對於「COCONUTS - 2 b」這樣的氣態巨行星來說,其形成過程中的物質吸積規模和速度可能與地球等類地行星有所不同,但重力勢能轉化為熱量的基本原理是相同的。由於「COCONUTS - 2 b」的質素較大,形成過程中參與吸積的物質更多,因此在形成初期透過重力勢能轉化獲得的熱量也可能更為豐富。

第二種熱量來源是放射性元素的衰變。在行星形成的過程中,由於放射性元素(如鈾、釷、鉀 - 40 等)相對較重,在重力的作用下,它們更容易透過重力分異的過程逐漸向行星的核心區域沈降和聚集。隨著時間的推移,這些放射性元素會發生衰變,在衰變的過程中釋放出大量的能量,以熱量的形式表現出來。

放射性元素的衰變是一個持續而穩定的過程,對於維持行星內部的長期熱量供應和熱演化具有重要意義。例如,在地球內部,放射性元素的衰變產生的熱量是維持地幔對流、板塊運動和地球磁場等重要地球物理過程的重要能量來源之一。

對於「COCONUTS - 2 b」來說,由於其質素較大,可能在形成過程中捕獲和聚集了更多的放射性元素,因此放射性元素衰變產生的熱量在其內部熱量來源中可能也占有一定的比例。

第三種熱量來源是重力收縮。行星在形成之後,在自身重力的作用下,行星內部的物質會發生收縮和壓縮。這種收縮過程會導致物質之間的相互擠壓和摩擦,從而使行星內部的溫度升高,產生熱量。

行星的質素越大,重力越強,重力收縮產生的熱量也就越多。例如,木星作為太陽系中最大的氣態巨行星,其內部的重力收縮過程在木星的形成和演化過程中起到了重要的作用,為木星內部提供了大量的熱量。

對於「COCONUTS - 2 b」來說,其質素約為木星的 6.3 倍,重力收縮的程度和強度可能比木星更為顯著,因此透過重力收縮產生的熱量也可能更為豐富。

綜合考慮以上三種熱量來源,科學家們認為,「COCONUTS - 2 b」較高的表面溫度可能是由這三種因素共同作用的結果。首先,由於「COCONUTS - 2 b」的質素較大,在形成過程中透過物質吸積和重力勢能轉化產生的初始熱量較高;其次,較大的質素也使得「COCONUTS - 2 b」內部可能含有更多的放射性元素,這些放射性元素的衰變在長期的演化過程中為行星內部提供了持續的熱量供應;最後,「COCONUTS - 2 b」強大的重力導致的重力收縮過程也為行星內部增加了大量的熱量。

然而,除了上述內部熱量來源的因素之外,「COCONUTS - 2 b」獨特的形成方式可能也是導致其表面高溫的一個重要原因。

在傳統的行星形成理論中,恒星形成於原始星雲的重力塌縮。在這個過程中,恒星首先在原始星雲的中心形成,而剩余的物質則會在恒星周圍形成一個旋轉的盤狀結構,被稱為「原行星盤」。在「原行星盤」中,物質透過不斷地碰撞、吸積和聚合,逐漸演化形成行星。

但對於「COCONUTS - 2 b」而言,由於其與主恒星「COCONUT - 2A」之間的距離非常遙遠,傳統的行星形成於「原行星盤」的理論似乎難以完全解釋其形成過程。科學家們提出了一種新的推測:「COCONUTS - 2 b」可能並非形成於主恒星周圍的「原行星盤」之中,而是形成於原始星雲的直接塌縮。

在宇宙中,形成恒星的原始星雲通常具有非常巨大的質素和廣闊的空間範圍。如果原始星雲中的物質分布不均勻,當原始星雲發生重力塌縮時,就可能會形成多個密度較高的區域。如果這些區域的質素足夠大,就有可能形成多顆恒星;而如果分出去的某個區域質素不夠,就可能會直接塌縮形成行星。

在「COCONUTS - 2 b」的形成過程中,由於其所處的區域距離主恒星非常遙遠,物質分布和重力環境與「原行星盤」中的情況有很大的不同。當原始星雲發生重力塌縮時,該區域的物質可能直接塌縮形成了「COCONUTS - 2 b」,而沒有經歷「原行星盤」中那種漫長的物質吸積和演化過程。

由於沒有經歷「原行星盤」中的緩慢吸積過程,「COCONUTS - 2 b」在形成初期的物質聚集速度非常快,形成的行星核心在短時間內積累了大量的物質和能量,從而使得行星核心的初始溫度和熱量非常高。這種高初始溫度和熱量在行星的後續演化過程中,透過內部的熱傳導、對流和輻射等過程逐漸傳遞到行星的表面,導致了「COCONUTS - 2 b」的表面溫度高達 160 攝氏度。

綜上所述,「COCONUTS - 2 b」之所以具有如此高的表面溫度,是由於其質素大、重力收縮程度高、內部放射性元素豐富以及獨特的形成方式等多種因素共同作用的結果。然而,目前這些都還只是基於現有科學理論和觀測數據的合理推測和假說,關於「COCONUTS - 2 b」的許多奧秘還有待科學家們進一步的探索和研究。

對「COCONUTS - 2 b」的深入研究不僅對於我們理解行星的形成和演化過程具有重要的科學意義,也為我們探索宇宙中生命的存在和分布提供了新的線索和啟示。

首先,了解「COCONUTS - 2 b」的內部結構、熱演化過程和表面環境,有助於我們完善行星形成的理論模型和數值模擬。透過將對「COCONUTS - 2 b」的觀測數據與理論模型進行對比和驗證,我們可以檢驗和改進現有的行星形成理論,進一步揭示行星形成過程中的物理機制和規律。

「COCONUTS - 2 b」的表面溫度和大氣環境對於研究行星的氣候和天氣系統具有重要的參考價值。盡管「COCONUTS - 2 b」與地球在大小、質素、軌域位置和恒星類別等方面存在巨大的差異,但透過研究「COCONUTS - 2 b」的大氣環流、溫度分布和氣候模式,我們可以拓展對行星大氣科學的認識和理解,為研究地球氣候的變化和未來發展提供新的視角和思路。

「COCONUTS - 2 b」的特殊性質和形成方式也為我們尋找和研究其他類似的系外行星提供了重要的範例和線索。透過對「COCONUTS - 2 b」的研究,我們可以建立一套更加完善的系外行星分類和特征描述體系,提高我們在海量的觀測數據中辨識和篩選具有特殊科學價值的系外行星的能力,為未來的系外行星研究和探索指明方向。

隨著科學技術的不斷進步和觀測手段的不斷創新,我們有望在「COCONUTS - 2 b」的研究上取得更多的突破和進展。例如,新一代的太空望遠鏡,如占士·韋伯太空望遠鏡(JWST)和歐洲極大望遠鏡(E-ELT)等,將具有更高的分辨率和靈敏度,能夠為我們提供更加精確和詳細的「COCONUTS - 2 b」的觀測數據,幫助我們更好地了解其表面特征、大氣成分和溫度分布等資訊。

同時,地面上的大型射電望遠鏡陣列,如平方公裏陣列(SKA)和阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列(ALMA)等,也將能夠透過對「COCONUTS - 2 b」的射電波段觀測,研究其磁場、行星風、等離子體環境等物理特性,為我們全面了解「COCONUTS - 2 b」的物理過程和演化歷史提供更加豐富和多元的數據支持。

隨著電腦技術的飛速發展,數值模擬和理論計算在行星科學研究中的作用也將越來越重要。透過建立更加精細和準確的行星形成和演化模型,結合高效能電腦的模擬計算,我們可以更加深入地研究「COCONUTS - 2 b」內部的熱傳輸、物質對流、化學反應等復雜過程,揭示其內部結構和演化機制的奧秘。

除了科學技術的發展和創新,國際間的科學合作和交流也將在「COCONUTS - 2 b」的研究中發揮重要的作用。不同國家和地區的科學家、研究機構和觀測器材可以透過聯合觀測、數據共享和合作研究等方式,形成強大的科研合力,共同攻克「COCONUTS - 2 b」研究中的難題和挑戰,推動行星科學領域的發展和進步。