超级地球罗斯 508b 掠过红矮星的宜居带

图 1:罗斯 508 周围新发现的行星系统示意图。绿色区域代表行星表面可以存在液态水的宜居带(HZ)。 行星轨道显示为蓝线。 据估计,在其一半以上的轨道上,这颗行星的位置比 HZ(实线)更近,而其余轨道则位于 HZ(虚线)内。 学分:天体生物学中心

斯巴鲁战略计划使用斯巴鲁望远镜 (IRD-SSP) 上的红外光谱仪 IRD 发现了第一颗系外行星。 这颗名为罗斯 508b 的行星是一颗超级地球,质量约为地球的四倍,位于宜居带附近。 这样的行星可能能够在其表面保留水,并将成为未来观测验证低质量恒星周围存在生命可能性的重要目标。

系外行星的研究自从发现一颗与我们太阳相似的恒星周围的巨行星以来,近年来取得了长足的进步,现在专注于质量低于太阳的红矮星。 红矮星占银河系恒星的四分之三,大量存在于太阳系附近,是在我们附近寻找系外行星的绝佳目标。 此类附近系外行星的发现,以及对其大气和表层的详细观察,将使我们能够讨论在与我们的太阳系非常不同的环境中是否存在生命。

然而,由于其表面温度低于 4,000 度,红矮星在可见光下非常微弱。 以前使用可见光光谱仪进行的行星搜索仅在非常附近的红矮星周围发现了几颗行星,例如 Proxima Centauri b。 尤其是表面温度低于 3000 度的红矮星(晚期型红矮星)尚未系统地寻找行星。 凌日法检测行星在恒星前方经过时恒星亮度的变化,不需要光谱多普勒法那么多的光子,因此使用凌日法寻找红矮星周围行星的工作近年来一直在取得进展. 使用 TESS(过境系外行星测量卫星)搜索过境行星可以探测到相对较重的红矮星(早期型红矮星)周围的类地行星。

尽管红矮星是研究宇宙生命的重要目标,但由于在可见光下太微弱,因此很难观察到。 为了解决红矮星光谱观测的难题,人们期待已久的使用高精度光谱仪在红矮星相对明亮的红外波段进行行星搜索。 为了 example,从 30 光年外看到的太阳的亮度在可见光中为 5 等,在红外光中为 3 等。 另一方面,最轻的晚期红矮星在 19 等的可见光中非常微弱,但在 11 等的红外线中相对较亮。

日本天体生物学中心研制成功IRD(红外多普勒仪器),这是世界上第一台用于8米级望远镜的高精度红外光谱仪。 安装在斯巴鲁望远镜上的 IRD 可以检测到恒星速度的微小波动,大约是人行走的速度。

凌日法只能探测到轨道沿视线的行星,而多普勒法可以探测到行星,无论它们相对于天体平面的方向怎样。 它也是一种重要的方法,因为它可以确定行星的“质量”。

IRD斯巴鲁战略计划(IRD-SSP)寻找晚型红矮星周围的行星于2019年启动。这是第一个围绕晚型红矮星的系统行星搜索,是一项涉及约100名国内外研究人员的国际项目。 在最初的两年中,进行了筛选观测,以寻找“稳定”的低噪声红矮星,甚至可以探测到小行星。 红矮星具有高表面活动,例如耀斑,即使不存在行星,这种表面活动也会导致恒星的视线速度发生变化。 因此,只有具有低表面活性的稳定红矮星才是寻找类地小行星的目标。

目前,该项目正处于对通过筛选精心挑选的约50颗有前途的晚型红矮星的集中观测阶段。


图 2:IRD 观测到的恒星 Ross 508 视线速度的周期性变化。 它围绕着罗斯 508b 行星的轨道周期(10.77 天)。 Ross 508 的视线速度变化小于每秒 4 米,表明 IRD 捕捉到了比人跑步还慢的非常小的摆动。 红色曲线最适合观测结果,它与正弦曲线的偏差表明行星的轨道很可能是椭圆形的。 信用:原川等人。 2022

IRD-SSP 发现的第一颗系外行星位于距离地球约 37 光年的地方,围绕着一颗名为罗斯 508 的红矮星,其质量是太阳的五分之一。 这是使用红外光谱仪通过系统搜索发现的第一颗系外行星。

为了确认罗斯 508 的周期性摆动确实是由一颗行星引起的,IRD-SSP 团队确定了几个可能导致行星误报的恒星活动指标(例如,恒星亮度和某些发射形状的变化)线)并表明这些指标的周期与观察到的行星周期明显不同。 这比使用多普勒法确认凌日法之前报道的候选行星要困难得多,但它是探测非凌日行星的必要方法。

这颗行星罗斯 508b 的最小质量仅为地球的四倍左右。 它与中心恒星的平均距离是地日距离的0.05倍,位于宜居带的内边缘。 有趣的是,这颗行星很可能有一个椭圆轨道,在这种情况下,它将进入宜居带,轨道周期约为 11 天(图 1 和图 2)。

宜居带中的行星可以在其表面保留水,并可能孕育生命。 罗斯 508b 将成为未来观测验证红矮星周围行星宜居性可能性的重要目标。 对行星大气中的分子和原子的光谱观测也很重要,而目前的望远镜由于靠近中心恒星而无法直接对行星进行成像。 未来,它将成为30米级望远镜生命搜索的目标之一。

到目前为止,已知只有三颗行星围绕如此低质量的恒星运行,包括比邻星 b。 预计 IRD-SSP 将继续发现新行星。

“Ross 508b是第一次仅使用近红外光谱成功探测到超级地球。在此之前,在探测超级地球等低质量行星时,仅靠近红外观测是不够准确的,验证可见光下的高精度视距速度测量是必要的。这项研究表明,单独的 IRD-SSP 能够探测行星,并清楚地展示了 IRD-SSP 在高精度搜索能力方面的优势,即使发现论文的第一作者,Hiroki Harakawa 博士(NAOJ Subaru Telescope)说。

“IRD 开始开发已经 14 年了。我们一直在继续我们的开发和研究,希望找到一颗与罗斯 508b 完全一样的行星。这一发现得益于 IRD 的高仪器性能、大口径斯巴鲁望远镜,以及实现密集和频繁数据采集的战略观测框架。我们致力于做出新的发现。” IRD-SSP 的首席研究员 Bun’ei Sato 教授(东京工业大学)说。

这些结果显示为 Harakawa 等人。 “一个在内部附近运行的超级地球 Edge 2022 年 6 月 30 日日本天文学会出版物中 M4.5 矮星罗斯 508″ 周围宜居带的研究。