短周期气体巨行星的命运.doc

Destiny of Hot Jupiters短周期气体巨行星的命运天文学家发现，一颗太阳系外行星WASP-12b由于受到中央恒星引力的影响，以大约每秒60亿吨的速度在向中央恒星流失质量。这是天文学家第一次见证了一颗行星的瓦解和死亡的进程。这一发现是由一个中外天文学家组成的研究小组完成的。其中，主要工作在新成立的北京大学科维理天文与天体物理研究所完成。这一工作已经在NATURE杂志发表（Li, S. L., Miller, N., Lin, D. N. C. & Fortney, J. J., 2010, Nature 463, 1054-1056）。15年前，我们的太阳系为人们所知的唯一一个行星系统。迄今为止，天文学家已经在其它恒星周围发现了400多颗行星。由于观测上的选择效应，大多数太阳系外行星是更容易被发现的、质量与木星差不多的气体巨行星。然而，与我们太阳系里的木星和土星不同，这些太阳系外行星中20%是轨道距离中央恒星较近的短周期行星。其中一些行星会在地球与它们的中央恒星之间穿行，并对它们的中央恒星造成掩食。通过精确地测量掩食时行星所遮挡的中央恒星的光度和掩食时间，天文学家可以测得行星的大小，从而进一步了解行星的内部组成和形成原理。行星WASP-12b作为一颗特殊的行星使得天文学家感到很疑惑：它的半径远远大于天文学家理论计算所预测到的数值。这颗行星的质量比我们太阳系里质量最大的行星木星要大50%。尽管理论模型预言这颗行星应该具有与木星一样的大小，但它实际的大小要比木星大将近80%（体积比木星大6倍）。因此，一定有某种机制使得这颗行星有如此膨胀的结构。WASP-12b 平均一天就围绕它的中央恒星一周。它与中央恒星的距离不到地球与太阳距离的1/40。这么小的距离使得WASP-12b为目前所知的被中央恒星加热强度最大的行星之一。它面向中央恒星那一面的温度有2500多度。地球与月亮之间的潮汐力引起了地球上一天两次的潮起潮落。而WASP-12b距离中央恒星非常之近，因而中央恒星施加在WASP-12b上巨大的潮汐力使得这颗行星由球状变成了接近橄榄球的形状。这颗行星的持续变形在行星内部产生摩擦力，并加热行星内部。北京大学科维理天文与天体物理研究所所长林潮教授说：“这是第一次有直接证据证明行星内部加热（或称为潮汐加热）能够使得行星膨胀至目前的大小”。北京大学科维理天文与天体物理研究所研究小组的工作表明：行星WASP-12b受到的潮汐力和膨胀的半径使得这颗行星的质量向中央恒星流失。NATURE文章的第一作者，李抒璘，在北京大学攻读博士学位期间完成了该研究工作的主要工作。她说：“WASP-12b以约每秒60亿吨的速率向中央恒星流失质量。以这个速率，这颗行星将在一千万年里被中央恒星完全吞噬”。她补充道：“这个听起来似乎是一个很长的时间，但是对于天文学家来说，这个时间很短。这意味着这颗行星的寿命仅为地球目前的年龄的1/450”。从行星WASP-12b流失的质量并不是直接掉入中央恒星，而是形成一个围绕中央恒星的盘，盘旋着缓慢流入。对WASP-12b轨道运动的深入分析表明，该系统可能还有一颗质量较小的类地行星在扰动该行星的轨道。以目前的观测条件，由行星物质组成的盘，以及该系统中的类地行星均可能被探测到。它们的性质能够进一步揭开这颗行星WASP-12b的神秘面纱。作者介绍：李抒璘，毕业于北京大学科维理天文与天体物理研究所，现工作于中国科学院国家天文台；林潮，北京大学科维理天文与天体物理研究所所长，美国加州大学圣克鲁斯分校天文系教授；Jonathan Fortney，美国加州大学圣克鲁斯分校天文系的教授；Neil Miller，美国加州大学圣克鲁斯分校天文系的研究生。图解：WASP-12行星系统。WASP-12b用图中紫色表示。WASP-12b周围的浅紫色过渡区域表示它的大气。这颗气体巨行星的轨道并不是圆形轨道。这暗示了该系统应有一个还未探测到的质量较小的行星（用深棕色表示）在扰动行星WASP-12b的轨道。从WASP-12b流出的质量在中央恒星周围形成一个盘，如图中红色区域所示。