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天文学家发现第一个位于太阳系以外的行星磁场


这一发现对于人类认识系外行星的形态,乃至生命在宇宙中的分布都至关重要。

系外行星HAT-P-11b(图中小圈内)及其磁圈和磁尾迹。Lotfi Ben-Jaffel / 巴黎天体物理学研究所
天文学家发现了第一个位于太阳系以外的行星磁场。地球磁场在保护大气层和生命方面起着重要作用,能够大幅削弱到达地球表面的太阳风粒子。因此这一发现对于人类认识系外行星的形态,乃至生命在宇宙中的分布都至关重要。
获得这一发现的天文学家来自多个国家。他们发现,一颗系外行星被一个扩展的带电碳粒子区包裹着,而且它的身后还拖着一条长长的磁尾迹。根据已有的知识,唯有这颗行星存在磁场才能解释这些现象。相关发现以论文的形式发表在2021年12月16日的《自然:天文学》上。
这颗行星的编号为HAT-P-11b,体积如同海王星,距离地球123光年。从地球上看,它能够从它的恒星前方掠过。
当这颗行星从恒星前方掠过时,天文学家在紫外波段上对它进行了观测,结果发现它的周围存在许多碳离子。这些碳离子形成了一个圈层,包裹着这颗行星:这是行星大气与其恒星辐射相互作用的结果,它的存在表明这颗行星拥有磁圈。
发现系外行星的磁圈是人类了解系外行星宜居性的重要一步。即使是在太阳系,也并不是所有的行星和卫星拥有磁场。因此对于磁场和行星宜居性之间究竟存在什么样的关系,天文学家的了解并不多。
这次被发现拥有磁场的行星HAT-P-11b不但其本身被一个碳离子区包裹着,它的身后还有一条长长的磁尾迹。在这条长度至少为1个天文单位的磁尾迹中,碳离子以每小时16万千米的平均速度飞行着。
HAT-P-11b磁圈和地球磁圈的物理学机制是相同的,但是这颗行星和其恒星的距离,只有地球和太阳距离的二十分之一。因此HAT-P-11b的大气层上部极为炽热,而且在逐渐“蒸发”。这也是它之所以会有磁尾迹的原因。
研究人员还发现,HAT-P-11b的大气层中,原子质量高于氢和氦的重元素含量较低。在我们的太阳系中,寒冷的气体巨行星,比如海王星和天王星富含重元素,磁场较弱;而木星和土星这样更大的气体巨行星重元素含量低,却拥有较强的磁场。HAT-P-11b像后者:它的重元素含量低,却拥有强磁场。
但HAT-P-11b的质量只有木星的8%,更像迷你的木星,而非海王星。其大气成分特点表明,特定类型系外行星的形成理论依然有待完善。

HAT-P-11b想像图。它和它的恒星距离只有地日距离的二十分之一。Denis Bajram / 日内瓦大学
参考
Astronomers Detect Signature of Magnetic Field on an Exoplanet
https://news.arizona.edu/story/astronomers-detect-signature-magnetic-field-exoplanet
Signatures of strong magnetization and a metal-poor atmosphere for a Neptune-sized exoplanet
https://www.nature.com/articles/s41550-021-01505-x
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