M51-ULS-1b:第一颗被发现的河外行星

在1995年之前,人类所发现的行星还仅限于太阳系中的各个大行星、矮行星和小行星,虽然科学家知道在太阳系外肯定也存在着大量的行星,但是受限于观测和识别技术,所以这也只是一个猜测,直到1995年科学家发现了第一颗系外行星——飞马座51b。这样的发现填补了人类的知识空白,在接下来四分之一世纪的时间里,科学家又发现了超过4000颗系外行星。

人类发现的第一颗系外行星——飞马座51b
人类发现的第一颗系外行星——飞马座51b

 

但是新知识都会带来新问题,到目前位置,科学家发现的系外行星都是位于银河系中,但是这并不代表其他星系中就不存在行星,只是受限于当前的技术水平,所以对于河外行星(银河系外其他星系中的行星)识别工作就比较困难了。

在银河系中识别系外行星主要采用了两种研究方法:凌日法和径向速度法。但是这两个方法都有各自的局限性,用在银河系内部的系外行星观测上有效,但是却并不适用于河外行星。所以想要寻找河外行星,科学家就不得不开发出各种新的技术,其中一种技术是引力微透镜技术

宇宙空间中,存在着很多恒星,而在地球观测的方向上,经常会发生一颗星球从另外一颗星球“前面”经过,这样,因为星球引力的影响,就能够折射遥远星球上的光线,通过这种方式科学家就能够了解到遥远星球的一些特性,这项技术就被叫做引力微透镜技术。

引力微透镜技术
引力微透镜技术

但是这项技术也并不完美,实际上它的局限性很强,因为你无法知道哪颗星球前面会有一颗能遮挡它的星球经过,所以具有偶然性和不可预测性。虽然在理论上这种技术是能够发现河外行星的,但是到目前而知还没有通过这种技术确认潜在的河外行星。

另外一种方法是借助于银河系外的X射线源中的光变曲线的变化来寻找河外行星。

可见光是一个很狭窄的频谱,能够获得信息并不多,所以科学家就需要扩展新的电磁波频谱,这就是X射线。通过观测遥远河外恒星的X射线频谱,当河外行星遮挡恒星的时候,会引起轻微的X射线变化,如果这个变化是带有一定规则的时间间隔,那就基本上可以确定这是由一颗河外行星引起的。

观测对象的光变曲线,当恒星经过的时候,X射线的通量在中心下降之前和之后都保持不变
观测对象的光变曲线,当恒星经过的时候,X射线的通量在中心下降之前和之后都保持不变

 

在X射线的光源选择上,科学家并不是选择单颗恒星,毕竟虽然X射线的能量很高,单颗恒星的X射线传到地球上依然太弱了。所以科学家在银河系外一般会选择双星系统来作为X射线光源,而且这些双星系统并不是普通的双星系统,而是由一颗中子星(或黑洞)和一颗恒星组成的双星系统,在这个系统中,中子星(或黑洞)会不断的从伴星中吸取物质,这些恒星物质会围绕中子星(或黑洞)形成吸积盘,最终到达中子星表面(或被黑洞所吞噬)。在这个过程中,物质会被加温到数百万摄氏度,释放出惊人的能量,辐射的X射线能量远远比可见光要高很多。

艺术家对由蓝超巨星和黑洞组成的双星系统的想象图,当蓝超巨星上的物质跌落进黑洞的时候,会形成高温的X射线源,如同宇宙中的探照灯一样。
艺术家对由蓝超巨星和黑洞组成的双星系统的想象图,当蓝超巨星上的物质跌落进黑洞的时候,会形成高温的X射线源,如同宇宙中的探照灯一样。

 

通俗点讲,就好像是在远方明亮的探照灯,只需要观测探照灯发出的光线,我们就能够看到探照灯和我们之间的物体的光谱信息,当有物体从探照灯和我们观测者之间经过的时候,就会引起光变曲线,通过观测光变曲线的信息,我们就能够发现正常情况下无法观测到物体,这其中就包括河外行星。

科学家目前一共选择了236个双星系统来作为X射线光源,并收集了超过2624条光变曲线信息,这些光变曲线主要来源于三个星系:M51、M101和M104。

虽然看起来好像科学家采集了很多条有用的光变曲线信息,但是到目前为止,科学家只发现了一条信息符合河外行星的特征。

M51-ULS-1b想象图
M51-ULS-1b想象图

科学家仔细研究这条光变曲线的信息,发现这是一颗遥远的恒星引发的,但是一般情况下,一颗恒星通过X射线光源前的时候,其X射线通量是恒定的,但是这条光变曲线却并不是恒定的。科学家将这颗恒星命名为M51-ULS-1。正如它名字第一部分所表示的,它来源于M51漩涡星系,距离我们大约2800万光年;名称第二部分ULS是Ultraluminous Supersoft Source的缩写,表示的是具有高亮度和热光谱的X射线源,换句话说,这种X光射线源的光度能够作为一种标尺,随着温度的函数而变化,近似于黑体的辐射曲线,非常接近于理想化的X射线光源。

钱德拉太空望远镜在 X 射线中成像的 M51 的左侧假彩色图像。M51-ULS-1 是插图中心最亮的光源。
钱德拉太空望远镜在 X 射线中成像的 M51 的左侧假彩色图像。M51-ULS-1 是插图中心最亮的光源。

 

在这么遥远的距离上能够被观测到,意味着M51-ULS-1是一颗明亮的恒星,科学家推测出它在X射线的辐射亮度上就比太阳全光谱上的亮度要高100万倍,是一颗极为明亮的恒星。M51-ULS-1的半径可能达到了25倍太阳半径,质量至少能达到20倍太阳质量。

就在M51-ULS-1的10倍半径的轨道上(比地球轨道稍微远一点),科学家发现了第一颗河外行星——M51-ULS-1b。根据计算,科学家得出M51-ULS-1b的半径大约是木星半径的三分之一(大约24000公里)。虽然它距离母恒星的距离和地球轨道差不多,但是其接受的辐射量却相当于地球位于太阳0.05个天文单位附近所能接受的能量。

通过银河系外X射线源M51-ULS-1前方的物体半径的概率分布。在横坐标轴上,在底部,半径以十亿厘米表示;最上面的数值是木星半径的倍数。纵坐标轴显示的是概率。如你所见,最大概率对应于 0.72 木星半径,该值略低于土星的半径
通过银河系外X射线源M51-ULS-1前方的物体半径的概率分布。在横坐标轴上,在底部,半径以十亿厘米表示;最上面的数值是木星半径的倍数。纵坐标轴显示的是概率。如你所见,最大概率对应于 0.72 木星半径,该值略低于土星的半径

 

科学家同时还推测,M51-ULS-1b可能是一颗热木星,不可能有生命的存在。

总的来说,M51-ULS-1b能被观测到,还是具有一系列的偶然因素,一方面是具有一个强大的X光射线源,另外一方面是其母恒星M51-ULS-1是一颗超亮的蓝超巨星,这些因素叠加在一起,使得即便M51-ULS-1b距离我们有2800万光年,依然能够被科学家捕捉到它的存在。

哈勃太空望远镜观测到的M51漩涡星系。在右侧,被 M51的一个旋臂部分遮盖的地方,可以看到一个小星系,被称为 NGC 5195
哈勃太空望远镜观测到的M51漩涡星系。在右侧,被 M51的一个旋臂部分遮盖的地方,可以看到一个小星系,被称为 NGC 5195

 

但是这种X射线光源的技术依然还是有很大的局限性,但是至少它已经开了寻找河外行星的先河,还是很值得我们介绍的。

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