長蛇座TW——潛在系外行星導演的「皮影戲」

簡單的影子就可能泄露宇宙的秘密。日全食就是月球影子的奇蹟，而一千多顆系外行星，就是通過它們從母恆星前方經過時產生的影子而被編錄在冊。現在，天文學家被一個巨大的影子從圍繞鄰近年輕恆星的氣體塵埃盤上掃過所震驚。因為盤面以一個傾斜的角度朝向我們，我們得以鳥瞰整個系統；影子在盤面上移動，就像指針在鐘面上移動，不過「影子」指針要16年才能轉一周。

長蛇座TW盤面上的影子移動圖示，下圖為效果增強。版權：NASA、ESA，研究者團隊；下同。

搜尋圍繞其他恆星的系外行星，是一個棘手的任務。它們又小又遠，很難被拍攝到。不過一個潛在的行星，以一種獨特的方式泄露了它在鄰近恆星系統的存在：影子在廣闊的氣體塵埃盤上移動。

這顆行星本身當然不能產生如此巨大的影子，但它的引力作用就像起重機一樣，吸引靠近恆星的內盤物質，扭曲的內盤在外盤上產生了影子的移動。

由馬里蘭州巴爾的摩市美國太空望遠鏡科研所（STScI）的約翰·戴博斯（John Debes）領導的天文學家團隊，介紹說上述劇本是他們在長蛇座TW系統中發現影子的貌似最可信解釋。長蛇座的含義是雌性水蛇，位於天球赤道以南，是全夜空最長的星座。長蛇座TW離我們約192光年，年齡僅約800萬年，質量比太陽略小（Wikipedia上說約為0.8個太陽質量，譯註）。研究者分析了18年來美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡的觀測檔案庫，發現了此現象。

Debes解釋：「這是非常具有意義的第一次，我們在這麼長的時間內對一個恆星的系統盤具有如此多的圖像，從而看到了這個有趣現象。我們預期該影子現象在年輕恆星盤中具有普遍性。」（研究都講究所謂的唯一、首次，所以特意強調為very first）

長蛇座TW的看不見行星導致內盤翹曲，並在整個盤面上產生影子的示意圖。

在德克薩斯州葡萄藤（Grapevine）市召開的2017年度全美天文學冬季大會上，Debes 公布了其團隊的研究成果。

Debes團隊的首個線索這個恆星盤的亮度隨位置而改變。天文學家藉助哈勃的空間望遠鏡成像光譜儀（STIS），在2005年首次注意到這種亮度不對稱。但他們只有一次觀測數據，無法對此神秘特徵做出決定性的判斷。

通過搜索哈勃數據檔案庫，Debes團隊獲得了不同時期的6幅圖像，它們分別由STIS、近紅外相機和多目標攝譜儀（NICMOS）獲得。

STIS配備有星冕儀以遮蔽星光，使得哈勃能看到相當靠近恆星的天體，距離大約為太陽到土星的距離——16億千米（km）。隨著時間的遷移，這個亮度不對稱結構看起來以逆時針方向在氣體塵埃盤上移動，到了2016年，重新回到了2000年圖像中的位置。

研究者困惑於這個16年的周期。他們起初認為，該特徵結構是盤面的一部分，但短周期意味著該結構在盤面上移動得太快，早該脫離。根據萬有引力定律計算的盤面的旋轉速度，長蛇座TW的外緣盤面至少需要一個世紀才能公轉一周。

Debes分析道:「我在離母恆星160億km外看到如此的運動事實很重要，它告訴我們，與其認為該事件發生於盤面本身，不如認為有事件投影在盤面上。最佳解釋是影子在盤面上移動。」

在外盤不同距離（AU）處測量的影子角度與各年份關係，由此計算得出，影子中心每年移動 -22.7°。

研究團隊分析認為，無論是什麼產生了這個巨大的影子，它必須位於650億km寬的氣體盤內緣深處，其距離近得哈勃抑或當代的其他望遠鏡，都無法觀測到。產生影子的最可能途徑是，有一個相對於外盤傾斜的內盤。事實上根據智利的阿塔卡瑪大型毫米射電陣列（ALMA）在亞毫米波段的觀測，推測其內盤有扭曲的可能性。

是什麼導致了內盤的彎曲？Debes繼續推演：「貌似最可能的劇情是一顆看不見行星的引力影響，把物質從盤面中拉出，並扭曲了內盤。偏離的內盤位於行星的軌道內側。」

要使影子產生短至16年（PDF報告中精確到15.9年）的類似鐘面的周期運動，這顆行星離母恆星的距離估計約為1.6億km——相當於太陽到地球的距離（原文如此為100 million miles）。要從原行星盤中拉出足夠物質，行星的質量至少應與木星相當。行星的引力作用導致盤出現搖擺——天文學稱為進動，使影子出現16年的周期運動。

當前基於智利ALMA的觀測增加了長蛇座TW含有行星的證據。ALMA揭示盤面在離母恆星約1.4千萬km（9 million miles）有一條縫。環縫是存在行星的信號，因為行星能在盤面中沿軌道清理出一條路。

本文的哈勃研究項目，提供了一個獨特的方法，去尋找隱藏在原行星盤內部的、非常靠近恆星區域的行星，並探索其行為，這些行星是當前的望遠鏡技術無法直接成像的。Debes總結道：「令人驚喜的是，我們可以通過調查行星盤的外部區域影子的運行、位置和響應情況，了解看不見的內部區域發生了什麼。我們的研究顯示，雖然我們不能直接觀測看不見的內盤，但仍能探測到其動力學的變化。」

原文標題：Hubble Captures Shadow Play Caused by Possible Planets

翻譯：gohomeman1 （編譯版權所有，未經許可請勿轉載）