当它们的恒星变成红巨星时,热木星会发生什么?

这位艺术家的印象展示了一颗超热的系外行星,因为它即将在它的主星面前过境。 使用 ESO 超大望远镜的 ESPRESSO 仪器,天文学家在两颗超热木星 WASP-76 b 和 WASP-121 b 中发现了系外行星大气中最重的元素钡。 学分:ESO

对太阳系外行星的研究带来了一些惊人的发现,其中许多都违背了天文学家的期望,并挑战了我们对行星系统可以采取的形式的看法。 为了 example,发现了与恒星密切相关的木星大小的行星(“热木星”),这违背了天文学家对气态巨行星的怀疑。 此前,普遍的共识是,气态巨行星形成于“霜线”之外——挥发性元素(如水)在该边界之外冻结成固体——并在它们的余生中一直存在。

有趣的是,当我们的太阳离开其主序阶段并进入其红巨星分支 (RGB) 阶段时,就会发生这种情况。 这就提出了一个问题,即当热木星的母星膨胀成为红巨星时会发生什么。 使用先进的 3D 模拟,由紧凑对象合并:人口天体物理学和统计 (COMPAS) 联盟领导的一组研究人员模拟了红巨星将怎样扩张以吞噬炽热的木星。 他们的发现可以回答天文学家面临的另一个谜团,这就是为什么一些双星系统有一颗快速旋转的恒星,其化学成分很奇怪。

该研究由博士 Mike Lau 领导。 莫纳什大学物理与天文学学院的学生,以及 COMPAS 联盟的其他成员,共同研究二元系统的演化。 ARC 引力波发现卓越中心 (OzGrav)、熨斗研究所计算天体物理中心、普林斯顿大学以及哈佛和史密森尼天体物理中心 (CfA) 的成员也加入了他们的行列。 他们的论文“3D 流体动力学中红巨星对热木星的吞噬”已被《皇家天文学会月报》接受发表。

正如刘通过电子邮件向今日宇宙解释的那样,热木星吞噬的话题引起了天体物理学家的兴趣,因为他们认为它可以解释在我们的银河系中观察到的一些“奇怪”恒星——快速旋转和化学富集的巨星。 最近发现的系外行星爆炸使得各种理论得以检验,包括当恒星膨胀变成红巨星时,过去在安全距离内运行的行星将盘旋向恒星中心,在此过程中搅动恒星物质的可能性. 刘说:


这张图片追踪了一颗类太阳恒星的生命,从画面左侧的诞生到右侧的红巨星演化。 学分:ESO/M。 科恩梅塞尔

“因此,这是解释观察到的快速旋转的巨星的一种方法。此外,在螺旋内脱落的任何行星物质都可能改变恒星的表面化学组成。这可能有助于我们理解为什么观察到一小部分恒星锂异常丰富。最后,我们也许可以通过寻找因吞噬行星而膨胀并变亮的恒星直接检测到这一过程,尽管我们必须非常幸运地在这一过程中捕捉到它们。

得益于像詹姆斯韦伯这样的下一代太空望远镜和配备 30 米(~98 英尺)主镜的地面望远镜,直接观察吞噬现象及其对恒星的影响的能力将成为可能。 这包括超大望远镜 (ELT)、巨型麦哲伦望远镜 (GMT)——两者都在智利的阿塔卡马沙漠建造——以及目前正在夏威夷莫纳克亚山建造的 30 米望远镜 (TMT)。 使用自适应光学、日冕仪和光谱仪的组合,这些天文台将能够直接探测绕轨道运行的系外行星 close 给他们的星星。

与此同时,Lau 和他的同事进行了一系列 3D 流体动力学模拟,重现了吞没过程。 正如他所描述的:

“我们使用了一种称为平滑粒子流体动力学的方法。这将巨星和热木星表示为跟随流体运动的粒子集合,就像一个球坑,但有数百万个球。这种技术也被用于可视化视频游戏中的流体和动画。我们模拟的一个关键结果是,热木星在螺旋进入恒星时可能会由于摩擦而失去大部分物质。

未来,Lau 和他的同事希望计算技术的进一步发展能够实现更高分辨率的模拟。 如果得到证实,他们的结果可以解释双星系统中具有异常化学成分的快速旋转恒星。 他们还提供了未来调查在检查这些系统及其系外行星时将显示的内容的预览,并可以直接从中获取光谱。