在《星球大戰(zhàn)》電影場景中有一個奇特的星球:塔圖因星球,它的天空有兩顆恒星。
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這種圍繞兩顆恒星運(yùn)行的環(huán)雙星行星,天文學(xué)家在現(xiàn)實(shí)宇宙里已經(jīng)有所發(fā)現(xiàn),但發(fā)現(xiàn)的數(shù)量卻很少,其核心原因是,它們長期隱藏在我們的觀測盲區(qū)中。
天文學(xué)家目前已確認(rèn)超過6000顆系外行星,其中絕大多數(shù)都是圍繞著像太陽一樣的單顆恒星運(yùn)行;而能被嚴(yán)格確認(rèn)的環(huán)雙星行星,至今也不到20顆。
這并不是因?yàn)橛钪胬锏沫h(huán)雙星行星極其稀少,而是我們尋找系外行星的主流方法,很難探測到它們。
過去幾十年,系外行星的發(fā)現(xiàn)幾乎全靠凌日觀測法。
這個方法的原理很簡單:如果一顆行星剛好從它的宿主恒星和地球之間穿過,就會擋住一點(diǎn)點(diǎn)星光,我們捕捉到這個時候主恒星短暫的亮度下降,就能推斷行星的存在。
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但對于環(huán)雙星系統(tǒng)來說,這個方法的限制極其苛刻,行星的軌道必須和雙星的公轉(zhuǎn)軌道幾乎完全共面,并且還要精準(zhǔn)對準(zhǔn)地球的視線方向,哪怕只有幾度的傾角,我們就再也看不到它的凌日信號。
而更棘手的是,凌日法對于很靠近恒星的行星來說,觀測的成功率會很大,但若離得很越遠(yuǎn),行星凌日的概率就越低,幾年甚至幾十年才會出現(xiàn)一次,這在太空望遠(yuǎn)鏡的觀測窗口期里,就很容易被錯過。
這就導(dǎo)致我們對環(huán)雙星行星的認(rèn)知,一直被困在共面、緊湊、近距的小圈子里,完全看不到那些軌道傾斜、距離更遠(yuǎn)的行星,更沒法回答一個核心問題:宇宙里的環(huán)雙星行星,到底有多常見?
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最近,于2025年5月4日發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》的研究,來自新南威爾士大學(xué)的天文學(xué)家們,他們找到了一把能打破這個盲區(qū)的鑰匙:利用雙星軌道的拱點(diǎn)進(jìn)動效應(yīng),來大規(guī)模的搜尋隱藏起來的環(huán)雙星行星。
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這種方法此前僅被用于雙星系統(tǒng)的基本性質(zhì)表征,從未被用于環(huán)雙星行星的大范圍巡天。
這個方法聽起來陌生,但原理卻很好理解。
兩顆互相繞轉(zhuǎn)的食雙星,就像一對配合默契的雙人舞舞者,它們的公轉(zhuǎn)軌跡是穩(wěn)定的橢圓,什么時候互相靠近、什么時候彼此遮擋(也就是天文學(xué)上說的主、次恒星食),這都可以被精準(zhǔn)的預(yù)測。
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如果周圍沒有其他天體干擾,它們的舞步會一直保持穩(wěn)定,恒星食的時間也不會出現(xiàn)偏差。
但如果旁邊藏著一顆我們看不見的行星,它的引力就會像一只無形的手,輕輕拽動這對舞者,讓它們的橢圓軌道長軸在軌道平面內(nèi)慢慢轉(zhuǎn)動,這使得原本精準(zhǔn)的主、次恒星食時間表,就會出現(xiàn)可測量的反向偏移,主食來得越來越晚,次食就來得越來越早,反之亦然,這就是環(huán)雙星行星引力引發(fā)的拱點(diǎn)進(jìn)動。
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當(dāng)然,能讓雙星軌道發(fā)生進(jìn)動的,不只有行星。
愛因斯坦的廣義相對論效應(yīng),以及恒星自身的潮汐拉扯、自轉(zhuǎn)帶來的影響,這都會造成類似的軌道進(jìn)動。
所以團(tuán)隊(duì)的核心工作,就是把這些已知的物理效應(yīng)全部精準(zhǔn)計(jì)算出來,從觀測到的總進(jìn)動里一一扣除。
如果最后還剩下無法解釋的額外進(jìn)動信號,那就說明這個雙星系統(tǒng)里,一定藏著一個未被發(fā)現(xiàn)的引力源。
在這次研究中,他們從歐空局蓋亞衛(wèi)星的食雙星候選星表中,篩選出1590個符合觀測條件的目標(biāo),再結(jié)合NASA的TESS太空望遠(yuǎn)鏡至少兩年基線的高精度測光數(shù)據(jù),對每一個系統(tǒng)的恒星食時間進(jìn)行了極致精準(zhǔn)的拆解。
最終,他們在36個雙星系統(tǒng)里,找到了無法用廣義相對論、潮汐與自轉(zhuǎn)效應(yīng)解釋的額外進(jìn)動,在排除了高噪聲、信號顯著性不足、伴星質(zhì)量達(dá)到褐矮星/恒星級別的系統(tǒng)后,最終鎖定了27個候選系統(tǒng),這些系統(tǒng)里,隱藏引力源的最小質(zhì)量,剛好落在行星的范圍內(nèi)。
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這27個候選環(huán)雙星行星,徹底打破了過去的認(rèn)知邊界。
之前通過凌日法找到的環(huán)雙星行星,宿主恒星有效溫度都不超過6400K,而這次的候選體里,有30%的宿主恒星溫度超過了這個上限,最熱的甚至超過9000K。
同時,這些雙星的公轉(zhuǎn)周期從4.3天到129.3天不等,也完全超出了過去已知的環(huán)雙星宿主雙星的周期范圍。
更重要的是,這個方法完全不依賴行星的軌道朝向,哪怕行星的軌道和雙星平面有很大的傾角,哪怕它在更遠(yuǎn)的穩(wěn)定軌道上運(yùn)行,我們也能捕捉到它的引力痕跡。
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當(dāng)然,現(xiàn)在這些天體還只是候選行星。
這種動力學(xué)方法有一個天然的參數(shù)簡并問題:同樣的進(jìn)動信號,既可能來自一顆離雙星很近的小質(zhì)量行星,也可能來自一顆離得更遠(yuǎn)的大質(zhì)量褐矮星甚至恒星。
接下來,團(tuán)隊(duì)會用地面4-10米級的大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡,通過徑向速度觀測,給這些候選體驗(yàn)明正身,精準(zhǔn)鎖定它們的質(zhì)量,最終確認(rèn)它們的行星身份。
宇宙里超過一半的恒星,都處于雙星或多星系統(tǒng)中,而我們過去對這些系統(tǒng)里的行星世界,幾乎一無所知。
這次的發(fā)現(xiàn),就像為我們打開了一扇全新的大門,如果環(huán)雙星行星在宇宙里普遍存在,那我們對行星形成、演化的認(rèn)知,甚至對宜居星球的尋找范圍,都將被徹底改寫。
那些雙日同輝的世界,不再只是科幻電影里的想象,它們或許就在銀河系的某個角落,等著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。
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