出奇的密集系外行星挑战行星形成理论

NSF的NOIRLab设施进行的新的详细观测显示，一颗年轻的系外行星绕着Hyades星团中的一颗年轻恒星运行，其大小和年龄都异常密集。这个系外行星的重约25个地球质量，略小于海王星，与主要行星形成理论的预测相矛盾。

在基特峰国家天文台(KPNO)使用WIYN 0.9米望远镜，NSF的NOIRLab计划，麦当劳天文台的Hobby-Eberly望远镜以及其他设施对系外行星进行的新观测，即K2-25b，引起了新的疑问。关于当前的行星形成理论。已经发现系外行星的大小和年龄异常密集，这引发了关于它是如何存在的问题。研究结果的详细信息刊登在“天文学杂志”上。

K2-25b比海王星略小，它在3.5天内绕M矮星运行，这是银河系中最常见的恒星。行星系统是Hyades星团的成员，Hyades星团是在金牛座方向附近的年轻恒星团。该系统大约有6亿年的历史，并且距地球约150光年。

尽管在我们的太阳系中找不到这样的行星，但大小在地球和海王星之间的行星是银河系恒星的常见伴侣。在系外行星研究中，了解这些“亚海王星”行星是如何形成和演化的是一个前沿问题。

天文学家预测，巨型行星的形成首先是通过组装一个质量为地球质量5-10倍的适度冰冰芯，然后将其包裹在质量为地球质量数百倍的巨大气体包裹层中。结果就是像木星这样的天然气巨人。K2-25b打破了这一常规图像的所有规则：K2-25b的质量是地球质量的25倍，大小适中，几乎是所有核心，几乎没有气体包裹。这些奇怪的特性给天文学家带来了两个难题。首先，K2-25b是如何组装这么大的核心的，是理论预测的5-10地球质量极限的许多倍?其次，由于其高核心质量以及随之而来的强大的引力，它如何避免积累大量的气态包膜?

研究K2-25b的小组发现结果令人惊讶。普林斯顿大学博士后研究员古德蒙德·斯特凡森(Gudmundur Stefansson)说：“ K2-25b很不寻常。” 根据斯特凡森(Stefansson)的说法，系外行星的尺寸小于海王星，但质量约为海王星的1.5倍。斯特凡森说：“与其他年轻的，海王星以下的年轻行星相比，该行星在大小和年龄上都很密集。” “通常观察到这些世界的密度很低，甚至有一些大气层在不断蒸发。经过手头的测量，K2-25b似乎有一个密实的岩心或富水的核，并且壳薄。”

为了探索K2-25b的性质和起源，天文学家确定了它的质量和密度。尽管系外行星的尺寸最初是使用NASA的开普勒卫星测量的，但是尺寸测量是使用KPNO上的WIYN 0.9米望远镜和3.5米望远镜的高精度测量来改进的在新墨西哥州的Apache Point天文台(APO)。用这两个望远镜进行的观测利用了一种简单而有效的技术，该技术是斯蒂芬森博士论文的一部分。该技术使用了一个聪明的光学元件，称为工程化漫射器，可以以500美元左右的价格从货架上购买。它可以将恒星发出的光散布到相机上，从而覆盖更多像素，从而可以更精确地测量行星运行过程中恒星的亮度，从而可以更精确地测量绕行行星的大小。参数。

参与这项研究的NOIRLab天文学家贾亚杰夫·拉贾戈帕尔(Jayadev Rajagopal)说：“创新的扩散器使我们能够更好地定义过境的形状，从而进一步限制了行星的大小，密度和组成。”

由于价格低廉，扩散器可提供超大的科学回报。Rajagopal解释说：“配备了最先进但价格便宜的设备的小口径望远镜可以成为高影响力科学计划的平台。” “将需要非常精确的光度法来与空间任务和更大的地面光圈一起探索宿主恒星和行星，这说明了适中的0.9米望远镜在此过程中可以发挥的作用。”

得益于WIYN 0.9米望远镜和APO 3.5米望远镜上可用的扩散器的观察，天文学家现在能够更精确地预测K2-25b何时将通过其恒星。以前只能以30-40分钟的计时精度来预测运输，而现在以20秒的精度来预测它们。这项改进对于使用国际双子座天文台和詹姆斯·韦伯太空望远镜等设施计划后续观测至关重要。

这项研究的许多作者还参与了KPNO的另一个系外行星狩猎项目：WIYN 3.5米望远镜上的NEID光谱仪。NEID使天文学家能够以极高的精度测量附近恒星的运动(大约是上一代最先进的仪器的三倍)，从而使他们能够检测，确定像地球一样小的系外行星。

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