反客為主?宇宙無奇不有!這些行星比它們的恆星還要大

我有一個問題!

前一陣子我在個人部落格上發表了一篇關於探討密度極小的“超級膨化”行星,隨後我在推特上看到有人向我提了一個很有意思的問題:

“我們有沒有發現過一個比它的主恆星還要大的系外行星呢?如果沒有的話,這種行星有沒有可能存在?”

反客為主?宇宙無奇不有!這些行星比它們的恆星還要大

我的第一反應當然是回覆她:“當然啦!金達(她的名字)。”然後我又思考了一會兒,覺得應該這樣回答更準確:“當然啦!不過它的恆星會和我們的太陽母親有點不一樣。”

推特上的三言兩語當然不可能詳細地解釋這個問題,不過幸好我有個人部落格。下面我們來仔細探討一下這個問題吧!

反客為主?宇宙無奇不有!這些行星比它們的恆星還要大

之所以剛開始回答金達的那麼幹脆,是因為我想到了白矮星這個現成的例子。白矮星是一個已經燃燒殆盡的恆星的殘骸,它的外層已經燃盡,只剩下一個空蕩蕩的核心。而白矮星的這個剩下的核心大概只有地球一般大。如果在它徹底消亡之前還有殘存行星跟隨著它旋轉的話,那麼這種情況就是存在的。並且我們真的發現過這樣的系統,由此可得,問題的答案當然是YES了。十分簡單。

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藝術家描繪的白矮星WD1856和遠比它自身大的巨型行星,圖片由NASA戈達德太空飛行中心提供

考慮到已到垂暮之年的白矮星和我們的朝氣蓬勃的太陽還是有很大區別的,這個答案並不完美。於是我開始想另一種答案:是否有這樣一個恆星,它像太陽一樣年輕,卻又不及它的行星大。

這兩種恆星有什麼區別呢?白矮星是一顆不再產生任何能量的正在慢慢冷卻的瀕死恆星,而太陽的身體內充滿了等待核聚變成為氦的氫氣,它依然年輕,依然光芒四射。儘管它已經四百多億歲了,但它還能繼續保持這樣大概六七百億年。由於歷史原因,有人稱這樣的恆星為“主序星”(你可以在我的關於天文的課程中找到這些知識,就在關於恆星那一章)

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太陽的直徑是木星的十倍,不過木星的直徑已經大到不能更大了。如果你想給木星加點料,它並不會變得更大,相反它會因引力作用縮得更小。因此很顯然,你在太陽系這樣的星系裡是找不到比太陽更大的行星的。

那麼換一個小一點的恆星能不能行得通呢?最小的恆星是一種叫紅矮星的暗淡恆星,它們的質量小到剛好能維持它們核心裡的熔融物。紅矮星家族中最小的那些似乎真的可以達到我們想要的那種情況。

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EBLMJ0555-57Ab與木星,土星和紅矮星TRAPPIST-1的比較。

EBLMJ0555-57Ab與木星,土星和非常小的紅矮星TRAPPIST-1相比。圖源:劍橋大學

最近天文學家們發現了兩個我們見過的最小的紅矮星。一個叫EBLMJ0555-57Ab,另一個叫2MASSJ05233822-1403022。如果根據觀測計算出的結論正確的話,它大概只有太陽總質量的0。077倍,木星總質量的75倍,但是這倆兄弟的質量提供的吸引力恰好夠把氫氣固定在它們的體內來核聚變產生氦。可以說,但凡它們再稍微瘦一點點就做不到這樣的事情了。

這兩個紅矮星都是正兒八經的恆星,並且都比木星要小。EBLMJ0555-57Ab甚至比土星還要小。這樣看來我們總算是找到了那個能夠比它的行星小的恆星了!

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TRAPPIST-1及其行星與木星及其衛星,太陽和我們的行星相比。圖源:ESO/ O。富塔克

從理論上講,這種情況在現實中十分罕見,儘管我們已經觀測了數以億計的系外行星,尋找到了成千上萬的恆星系統,計算了無數次直徑、質量等等資料。不過從我們計算出的資料中可以看出,這些紅矮星似乎大多沒有氣態巨行星陪伴。但是它們普遍擁有更小的行星,其中有的像地球一樣(或者可以叫做類地行星)。而且還有一些紅矮星擁有不少附庸,比如TRAPPIST-1,就有七個類地行星相伴。

紅矮星身邊的氣態巨行星非常罕見,大概一個百個紅矮星裡才有一個。(請注意:為了讓結果更客觀,調查是在我們所有已知的系外行星中進行的,有些尚未被證實……但是在低質量恆星周圍的已知巨行星的列表中,統計到的資料確實非常低)。

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這還不算一些非常小的恆星實在案黯淡到讓我們觀測不到。而它們是否有行星圍繞我們就更不得而知了。我們也完全不知道它們能不能撫育出行星,或是巨行星和類地行星。如果按照之前的理論繼續推演的話,那麼這些極暗的“小燈泡”們就更不可能擁有氣態巨行星了,因為那些更大的紅矮星都極少有。

綜上所述,毋庸置疑,一個行星比恆星更大的星系是存在的,不過從統計學上來講十分罕見。

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另一方面,紅矮星事實上是宇宙中最常見的一種恆星,它們的數量大概佔所有恆星總數的70%。所以儘管我們談論的那種極小的紅矮星比例很低,在龐大的宇宙中它們的數量少說也數以億計。同理,就算它們中擁有氣態巨行星的比例更低,但是它們在整個宇宙中的總數仍然不可小覷。

好了就是這些了。最後,根據我們的討論,最準確的天文學上的官方答案應該是:一個行星比它的母恆星更大是當然可以的啦!

世界之大可謂無奇不有,浩瀚宇宙因此奧妙無窮。

[感謝我的朋友傑西。克里斯滕森博士幫我查詢系外行星的資料]

By:StephenLuntz

Fy:大衛

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