藏在行星環影子里的世界

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藏在行星環影子里的世界

繪架座β-b 周圍很有可能環繞著不斷延伸的環狀系統，天文學家們認為這個環形系統在2017年可能會將其母恆星繪架座β掩住。

圖1：這張圖是由兩張紅外圖像合成的，外部區域展示了繪架座β的巨大岩屑盤，是由歐洲南方天文台具有自適應光學系統ADONIS的3.6米望遠鏡在1996年拍攝。內部區域同樣是由屬於歐洲南方天文台的自適應光學-紅外望遠鏡在2003年拍攝。在這張高解析度的照片中，人們第一次發現了系外行星繪架座β-b。

太陽系的氣態行星在早期都被諸多環形系統包裹，這些環形系統在日後中逐漸發展成為它們的衛星。至少，這是目前對於木星、土星等行星的衛星形成常見的解釋。距離我們63光年遠的恆星繪架座β（縮寫Pic β）及其所屬的於2008年被發現的行星繪架座β-b（縮寫βPic b）為我們提供了一窺究竟的機會：2017年4月—2018年1月，從地球的角度望去，繪架座β-b的公轉軌道將非常靠近繪架座β，見圖2。根據最新計算結果，儘管該光環只有10毫弧秒寬，由其引力形成的希爾球卻能對1.2個天文單位內的物體產生影響並使其從繪架座β前經過。在行星周圍周期運行的碟狀、環狀或者是衛星形式存在的物質，大都存在於行星希爾球半徑一半的範圍內，它們還會遮擋住恆星的岩屑盤並導致其產生足以被測量到的變暗。這樣的一次「掩星」大約每隔20年才出現一次，預計最近的一次將於今年的6月至9月間發生。

行星學家們並不想錯過這次難得的機會：在這幾個月的時間內全世界的天文學家都會對這顆恆星展開觀測，除了地面的眾多小型望遠鏡和軌道上的小型衛星，哈勃望遠鏡也會前來助力。由兩台長焦鏡頭組成的「繪架座β-b環相機」（b環）將在這幾個月內持續不斷的對目標進行觀測。第一台b環相機已經於2017年初在南非投入使用，第二台位於澳大利亞的b環相機將在今年夏天迎接它的第一縷星光。

在2013年和2014年間開始的，由加拿大、奧地利和波蘭共同參與的亮星探索計劃中的五顆衛星也將參加此次活動。這是一個單邊長20厘米的六方體結構的迷你衛星，它的任務是觀測天空中明亮的恆星，其觀測能力完全可以滿足亮度為3.9等的繪架座β的要求。為了觀測繪架座-β，在2017年第二季度還將專門發射一個額外的迷你衛星。作為第一顆通過直接影像法發現的行星，這是繪架座-β-b第一次被觀測到的准掩星狀態。

基於各種原因，天文學家推測，系外行星繪架座-β-b周圍由許多周期性運轉的物質。因此，這是一個非常年輕的系統。繪架座-β的年齡大約只有2300萬年，它最早被天文學家依據赫羅圖（見圖2）歸類於主序星，在赫羅圖中恆星們被依照不同的顏色、表面溫度和亮度分為不同的類型。大約90%的恆星位於赫羅圖左上角至右下角的帶狀上，這條帶便是主序帶，主序帶一邊是溫度和亮度較低的紅色區域，相反的一邊則是溫度和亮度都較高的藍色區。

圖2：赫羅圖（源自澳大利亞國立望遠鏡機構）

由於這個恆星系統形成並不久，在行星繪架座β-b的周圍也環繞著一圈厚厚的塵埃帶——而這正是證明其為年輕星體的一個強有力的證據，相關的跡象早在1983年就被當時的紅外衛星IRAS發現了，當時發現繪架座β輻射的紅外線遠高於其他的同類恆星，這正是由其周圍的大量塵埃造成。除此之外，這顆系外行星擁有所有環系統的前提條件，如同太陽系的土星一樣。繪架座-β-b是一顆巨大的氣態巨行星，它擁有七倍於木星的質量和1.5倍於木星的半徑。

之前曾經有過可能的先例：早在1981年天文學家們就觀察到該恆星有短暫卻劇烈的亮度變化，有可能就是當時尚未發現的行星的塵埃盤遮擋住了其母恆星。

繪架座β-b的準確軌道周期和它的運行軌道我們現在還無法百分之百的確認，因為從被發現到現在它還沒有完整的完成一個周期的運行。按照我們已掌握的數據推算，其橢圓軌道的長半軸有9.2個天文單位，一個完整的軌道周期大約是21.6個地球年，包含2.7個地球年的偏差。它的軌道幾乎是垂直於地球的觀測角度，以至於其軌道投影幾乎是一條線。

不論預期的行星環掩星是否能夠成功的被觀測到，此次大範圍的觀測活動都會進一步加強我們對這一恆星行星系統的認識。母恆星的亮度和預期的變暗（依據1981年的經驗亮度會有6%的變化）對於業餘天文愛好者來說也是十分有趣的。萊頓大學的項目負責人Matthew Kenworthy 表示：「前提是，觀測者能夠對繪架座β進行至少十分鐘的，精度能到達百分之一的光度測定，我們非常歡迎業餘天文愛好者們能夠參與這一測定。」

位於赤緯51°的繪架座β在馬勒星圖的南天部分，在中歐地區是無法進行觀測的，只有在南部的觀測者和在南半球擁有遠程控制台的觀測者才有機會一睹芳容。

圖3：延展閱讀——繪架座β-b是否也有岩屑盤？繪架座β-b每21.6個地球年繞其母恆星繪架座β運行一周，它的軌道平面幾乎完全平行於地球，因此其軌道平面在地球上的投影幾乎是一條直線。在今年早些時候和夏天，它從其母恆星前方經過，然而其視直徑只有10毫弧秒。圖3展示了這兩個天體的相對位移關係，在這張圖中系外行星繪架座β-b被選為靜止的參考點。最外面的希爾球（譯者註：Hill- Sph?re希爾球是環繞在天體（比如行星）周圍的空間，那裡的天體（比如衛星）主要受到它的控制，而不是被其它較大天體（比如恆星）所控制。）繪架座β-b的希爾球非常大，以至於把它的母恆星都包含在內。如果還有行星形成時的殘餘物質（潛在的行星岩屑盤）還留在繪架座β-b的希爾球範圍內，那麼這些物質顯然是同時也受到了母恆星的引力影響。軌道線上彩色標註的區域，是哈勃空間望遠鏡有可能進行觀測的窗口時間。

JAN HATTENBACH 是物理學家和業餘天文學家。可以通過 www.himmelslichter.ne 訪問他的博客 ?Himmelslichter?（天光）, 他在這裡會寫下所有天空中發生的故事。

繪架座β資料卡：

這顆年輕的恆星是在1983年被紅外衛星IRAS所發現，當時發現它擁有比同類恆星更高的紅外輻射。因此推測它有一個岩屑盤。僅僅一年後便藉助智利拉斯·堪帕納斯天文台的杜邦天文望遠鏡（口徑2.5.米）確認了這一發現。地球在岩屑盤的側面，2008年天文學家在岩屑盤中成功發現一顆星星，並於2009年最終確認。

位置：05h47m17s, –51°03『59』『（馬勒星圖）

亮度：3.868等

距離：63.4光年

質量：1.75倍太陽質量

光度：8.7倍太陽光度

光譜類型：A6V

年齡：2300萬年

原載於《Stern und Weltraum》 2017年第6期

作者：JAN HATTENBACH