藝術家繪製的在開普勒-47c軌道上看「兩個太陽」的情景
開普勒-47c和開普勒-47b的軌道示意圖
天文學家首次發現一個奇特的行星系統，其中擁有兩顆恆星，目前在該系統中發現了兩顆行星世界，這個情景就有些像科幻電影《星球大戰》中天行者的家鄉：塔圖因星球，這顆星球同樣擁有兩個太陽。宇宙中多數類似太陽這樣的G型主序星並不是單一恆星，而科學家本次在雙星系統中發現的行星具有非同尋常的軌道，此類行星被稱為環雙星行星(circumbinary planets)，圍繞著兩個太陽進行公轉。
為了尋找到更多的環雙星行星，天文學家分析了來自美國國家航空航天局開普勒系外行星探測器的數據，該空間望遠鏡自2009年3月發射以來已經發現了2300多個潛在的外星世界，在此之前開普勒系外行星探測器已經對四個雙星系統的行星軌道進行探測，如開普勒-16、開普勒-34、開普勒-35以及開普勒-38。
科學家近日宣布的發現結果為開普勒-47行星系統，這是第一個在雙星系統中發現多個內外側行星軌道的世界，位於內側的行星編號為開普勒-47b，外層軌道上的行星編號為開普勒-47c，它們距離我們大約5000光年，位於天鵝座方向上。本項探索研究的主要科學家為來自聖地亞哥州立大學天文學家傑羅姆·歐羅斯（Jerome Orosz）認為我們對開普勒-47行星系統的研究中發現雙星系統中可以存在多個行星，星系中發現的大多數恆星都是雙體系統或者多體系統構成，所以在此類恆星系統中證明可以存在多個行星世界的事實是非常重要的。如果我們僅限於在單恆星系統中尋找潛在的可居住行星，那麼我們將錯過銀河系中大部分恆星。
諸如《星球大戰》中的塔圖因星球，我們的軌道望遠鏡並不能直接觀測到它們的存在，由於距離太遙遠，我們只能在這些行星通過其公轉恆星圓盤面時才能發現其身影。這是由於行星過境會導致恆星的亮度出現微弱的變化，而開普勒系外行星探測器可以發現恆星光線微弱的偏差。
系外行星過境時導致恆星亮度降低的幅度是極為微弱的，比如開普勒-47b行星過境變化值僅為0.08%，而開普勒-47c的變化值僅為0.2%。相比之下，金星過境時就可以阻擋住大約1%的太陽盤面積。研究人員對來自開普勒系外行星探測器數據的研究可以推斷出目標行星的一些軌道參數以及行星的相對體積等，此外，科學家們還得到了來自麥克唐納天文臺哈蘭·史密斯望遠鏡的跟蹤觀測數據。
在開普勒-47雙星系統中，其中一顆恆星類似於我們的太陽，另一顆恆星的大小是前者三分之一，且更加昏暗，亮等只有前者的175分之一。位於內側軌道和外側軌道的行星直徑分別是地球的3倍和4.6倍，而在這之前，科學家們發現在別的雙星系統中發現了更小的環雙星行星。內側軌道上的行星為開普勒-47b，公轉週期為49.5天，而外側軌道上的開普勒-47c公轉週期就顯得更長一些，達到了303.2天，這是目前為止在過境系外行星中發現的最大週期公轉的行星，由於該系統為雙星系統，兩顆恆星的互相環繞週期為7.5天。本項研究的成果發表在8月28日出版的《科學》雜誌上，詳細的結果將在8月29日於國際天文學聯合會大會上公布。
然而，在如此獨特的雙星系統中具有非同尋常的行星軌道，這些行星是否是可居住的呢？對於系外行星的可居住性進行探索是一個耐人尋味的研究，科學家們發現開普勒-47雙星系統中的處於外側軌道的開普勒-47c行星具有與地球類似的軌道環境，因為其處於此雙星系統的可居住帶上，這意味著該行星上的溫度可以支持液態水的存在。根據本次研究的合作者、來自哈佛-史密森天體物理學中心的約書亞·卡特（Joshua Carter）介紹：「我們目前對開普勒-47雙星系統的認識推測其和太陽系相類似，但它們擁有兩顆太陽。」
圖中顯示了由藝術家繪製的開普勒-47雙星系統中兩顆行星的體積大小對比圖，處於外側軌道的開普勒-47c行星很可能是一顆體積比天文學稍大的氣態行星。本張圖由美國國家航空航天局噴氣推進實驗室、加州理工學院提供。
通過進一步的研究，科學家們發現外層軌道上的開普勒-47c行星可能是一顆體積略大於天文學的巨型氣態行星，因此其不適合我們目前對宇宙生命的推論，但本項研究也顯示在雙星系統中不僅存在環雙星行星，而且也有行星可以位於恆星周圍的可居住帶上。根據本項研究合著者、來自聖地亞哥州立大學的天文學家威廉·威爾士（William Welsh）介紹：「研究中令我最興奮的是在環雙星行星中發現了存在於可居住帶上的行星世界。開普勒-47c行星不可能適合生命的存在，但如果它擁有較大的岩質衛星，那麼將是一個非常有趣的世界。」
科學家認為雙星系統中行星世界可能具有奇怪的天氣，比如《星球大戰》中的塔圖因行星。環雙星行星的氣候受到雙星系統中特異的軌道影響，可能產生影響範圍較廣的全球性氣候波動。對於地球而言，太陽是一個相對穩定的熱量來源，來自太陽的能量或者光照變化大約只有0.1%左右，我們不需要擔心太陽現在發生了什麼，地球所接受到的光源是穩定的。但對於一顆圍繞於雙星系統的系外行星而言，在幾天至數週內接受到的光照就會出現數個百分點幅度的變化，此外如果這顆行星的自轉軸是傾斜的，也會對行星的全球性氣候構成影響，所以此類環雙星行星的四季變化是快速而又複雜的。
另外，眾所周知地球的自轉週期是24小時，這樣我們就有了白天和黑夜，如果我們擁有兩個太陽的話，那麼就會出現超過12個小時的白晝時間，恆星的位置決定了環雙星行星的黑夜和白晝。開普勒系外行星探測器已經發現的所有環雙星行星的軌道都與其公轉恆星軌道之間存在密切關係，如果這樣的行星上存在高級文明，那麼它們將會定期看到日全食等奇觀，比如在開普勒-47雙星系統中，當第二顆恆星運行到另外一顆恆星之前時，周圍軌道上行星接受到的光照量減少了大約15%，這個情況每隔7天半就會發生一次。
通過本項對雙星系統周圍行星軌道環境的研究，科學家認為未來可能還會更多的小太陽系被發現，此項研究表明瞭在雙星系統中可以形成行星，甚至它們可以在看似混亂的軌道環境中演化。研究人員希望得出開普勒-47雙星系統中的行星起源位置位於更遠軌道上的結論，因為根據現有的天體演化理論，這裡的軌道環境對體積較大行星的形成更加有利，它們最終會在與雙星系統周圍塵埃以及氣體的相互作用過程中向內側軌道遷移。
天文學家之前認為環雙星運行的行星或者大多數的行星形成於恆星周圍早期存在的塵埃盤，但在雙星系統中塵埃盤可能無法完成演化，由於兩顆恆星軌道的相互運動，這樣的原始行星盤應該無法誕生新的行星。但是現在看來，在雙星系統中除了軌道間距有細微差別之外，雙星系統中的行星世界與單恆星系統的行星軌道環境類似。在將來，研究人員希望在雙星系統中尋找到更小的系外行星，天文學家傑羅姆·歐羅斯認為將來會有更好的軟體介入對系外行星的探索任務，通過對開普勒系外行星探測器數據的分析，我們將會發現更多環雙星行星世界。
来源:騰訊科學
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