公民科学家在NASA TESS数据中发现类似木星的巨大行星

华盛顿州贝尔维尤市的Tom Jacobs喜欢“寻宝”活动。自2010年以来,这位前美国海军军官参加了在线志愿者项目,这些项目允许任何有兴趣的人--“公民科学家”--通过美国宇航局(NASA)的望远镜数据寻找系外行星的迹象,即我们太阳系以外的行星。现在, Jacobs已经帮助发现了一颗巨大的气态巨行星,其距离地球约379光年,围绕着一颗与太阳质量相同的恒星运行。

公民科学家在NASA TESS数据中发现类似木星的巨大行星

这颗木星大小的行星对天文学家来说是特别的,因为与太阳系外许多已知的气态巨行星相比,它的261天轨道周期很长。这一结果还表明,这颗行星离它的恒星仅仅比金星离太阳更远一些。这一发现发表在《天文学杂志》上,并在1月13日的美国天文学会虚拟新闻发布会上进行了介绍。

发现这颗行星并确定其大小和质量需要专业天文学家和像Jacobs这样的公民科学家之间的大规模合作。为了追踪这颗行星,他们参与了“一个全球性的联合努力,因为我们都需要一起去关注这颗特殊的行星,”加州大学河滨分校的天文学家和该研究的主要作者Paul Dalba说。

Jacobs说:“发现和发表TOI-2180 b是一项伟大的集体努力,表明专业的天文学家和经验丰富的公民科学家可以成功地一起工作。这是最好的协同作用。”

这一发现是如何发生的

这颗新发现的行星的特征隐藏在NASA的凌日系外行星勘测卫星(或称TESS)的数据中。利用TESS的数据,科学家们寻找附近恒星的亮度变化,这可能表明存在绕行行星。

Jacobs是一群公民科学家中的一员,他们查看TESS的数据图,其显示恒星的亮度随时间的变化,以寻找新的行星。当专业的天文学家使用算法自动扫描恒星的数万个数据点时,这些公民科学家则使用Alan R. Schmitt创建的一个名为LcTools的程序,用眼睛检查望远镜数据。这就是由几位公民科学家和两位资深天文学家组成的Jacobs小组自称为视觉调查小组的原因。他们中的许多人是在从事“行星猎人”项目时认识的,这是一个由NASA资助的公民科学项目,通过Zooniverse关注来自NASA开普勒航天器的数据。

公民科学家在NASA TESS数据中发现类似木星的巨大行星

2020年2月1日,Jacobs碰巧注意到一张图,显示来自TOI-2180的亮度在24小时内变暗了不到一半,然后又恢复到之前的亮度水平,这可能是由一颗轨道行星解释的,据说它在从我们的视角经过恒星的前面时“凌日”。通过测量行星经过时变暗的光量,科学家们可以估计出该行星有多大,并结合其他测量结果,估计其密度。但是,只有当恒星和它的行星与寻找它们的望远镜对齐时,才可以看到“凌日”。

显示行星亮度随时间变化的图表被称为"光曲线"。视觉测量组提醒两位专业科学家合作者--加州大学河滨分校的Paul Dalba和新墨西哥大学的副教授Diana Dragomir,这条光曲线有可能很有趣。

Dragomir说:“有了这个新发现,我们也在挑战我们能从TESS观测中提取的行星种类的极限。TESS并不是专门为寻找这种长轨道系外行星而设计的,但是我们的团队在公民科学家的帮助下,还是挖掘出了这些稀有的宝石。”

专业天文学家使用的计算机算法被设计为通过识别来自单一恒星的多个过境事件来搜索行星。这就是当只有一次“凌日”时,公民科学家的视觉检查是如此有用的原因。由于这是这个数据集中唯一的TOI-2180 b星变暗的例子,所以它被称为"单一凌日事件"。

Dalba说:“他们投入的人工努力真的很重要,也很令人印象深刻,因为实际上很难编写代码,可以通过一百万条光曲线,可靠地识别单一过境事件。这是人类仍然战胜代码的一个领域。”

但是,研究小组如何能够排除对行星光线短暂下降的其他解释?他们能确定他们已经发现了一颗行星吗?他们将需要后续的观测。

最终,这些望远镜都没有探测到该行星。不过,在这个时间段内没有明确的探测,还是给这个轨道可能有多长的时间设定了一个界限,表明这个轨道的周期大约是261天。利用这一估计,他们预测TESS将在2022年2月再次看到这颗行星经过它的恒星。

关于这颗行星

TOI-2180 b的质量几乎是木星的三倍,但直径相同,这意味着它的密度比木星高。这让科学家们怀疑它是否以不同于木星的方式形成。

关于这颗行星形成的另一条线索可能是它内部的东西。通过计算机模型,他们确定这颗新行星可能有多达105个地球质量的比氢和氦更重的元素。"那是很多,"Dalba说。"这比我们怀疑的木星内部的东西还要多。"

天文学家仍然有很多关于外面的行星范围的知识。大约4800颗系外行星已经被确认,但是在我们的银河系中被认为有数十亿颗行星。这项新发现表明,在巨型行星中,有些行星的重元素比其他行星多得多。

在我们的太阳系中,巨大的木星每12年围绕太阳运行一次;对于土星,一个"年"是29年。我们在地球和太阳之间没有像TOI-2180 b这样的巨行星。但是在太阳系之外,天文学家已经发现了几十颗系外行星,它们比木星还要大,而且轨道离恒星更近,甚至比水星的轨道还近。

TOI-2180 b的平均温度约为170华氏度,比地球上的室温还要高,比我们太阳系的外行星包括木星和土星还要高。但是与天文学家已经发现的围绕其他恒星运行的凌日巨型系外行星阵列相比,TOI-2180 b异常寒冷。

Dalba说:“在我们发现的大多数巨型系外行星和真正寒冷的木星和土星之间,它是一个很好的垫脚石。”

下一步是什么

当TESS在2月份再次观测这颗恒星时,Dalba和公民科学家们急于获得数据并再次深入研究。如果他们发现了这颗行星的特征,确认了261天的轨道周期,这将使他们在2020年寻找这颗行星的全球活动的数据有更多的意义。

NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜于12月25日发射,有可能观测到这颗行星及其大气层。Dalba对韦伯望远镜的能力感到兴奋还有另一个原因。鉴于在我们自己的太阳系中,木星有星环和卫星,韦伯望远镜可以用来寻找环绕TOI-2180 b的小天体的存在。

到目前为止,在我们的太阳系之外还没有确切地发现星环或卫星,但其中一个原因可能是,许多系外行星被发现时非常接近它们的恒星,而恒星的引力可能会将这些天体剥离。TOI-2180 b位于离其主星较远的地方,可能为这种搜索提供了一个有趣的机会。Dalba说:“我认为这是一个有趣的系统,将来会有这样的机会。”

当他不追求他的行星“狩猎”爱好时,公民科学家Jacobs与非营利组织合作,帮助残疾人在他们的社区找到就业机会。

视觉调查组的成员 “出于纯粹的快乐和对促进科学的兴趣,每天都投入许多时间来调查数据,”Jacobs说。该小组共同撰写了超过68篇经同行评审的科学论文,包括发现凌日的“系外彗星”经过恒星的表面。

“我们喜欢为科学做出贡献,”Jacobs说。“而且我喜欢这种类型的勘测,因为我知道这是在新的未被发现的领域,以前任何人都没有见过。”

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投稿时间:2022-01-18  最后更新:2022-05-11

标签:木星   行星   公民   科学家   天文学家   太阳系   外行   恒星   望远镜   轨道   类似   发现   数据

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