2023 年 11 月30日
- HD 110067 恆星由六顆行星環繞，所有行星都具有整數共振比。
- 諧波共振顯示這個行星系統自形成以來一直沒有變化。
- 這項發現是利用凌日法結合兩台太空望遠鏡 TESS 和 CHEOPS 的光變曲線測量結果得出的。
- 焦點：太空旅行、系外行星、天文學、太空望遠鏡
大多數人將八度、五度和四度與和聲聯繫起來，其頻率具有明確的整數比：八度為 2:1，五度為 3:2，四度為 4:3。約翰內斯·開普勒早在 1609 年就在他的著作《Harmonices mundi libri V》（關於世界和諧的五本書）中描述了我們行星的軌道和太陽軌道的和諧狀況。這種和諧的條件也可以在新發現的圍繞恆星 HD 110067 的系外行星系統中找到，該系外行星系統處於六顆已發現行星的軌道周期中。這表明該系統自五十億多年前形成以來一直保持不變。這些行星不是透過單一觀測發現的，而是透過不同望遠鏡的組合發現的。從行星六重奏的發現到全面表徵的故事讀起來就像一個偵探故事。該成果現已發表在科學期刊《自然》上。德國航空航天中心（DLR）參與其中。
多行星系統是測試行星形成和演化模型的理想選擇。目前已發現並描述的六顆行星的直徑介於地球（約12,750 公里）和海王星（近50,000 公里，相當於地球直徑的四倍）之間，因此也稱為亞海王星，且圍繞一顆直徑約為80% 的恆星運行。太陽的直徑和太陽質量的五分之一。它距離太陽104光年。140 名科學家參與了這項研究，其中 5 名來自德國太空中心柏林阿德勒斯霍夫行星研究所。第一作者是天文物理學家Dr. 來自芝加哥大學的拉斐爾·盧克。
太空望遠鏡 TESS 和 CHEOPS 提供了測量結果
首先，2020 年春季，NASA 太空望遠鏡TESS（凌日系外行星勘測衛星）注意到測量扇區23 中恆星HD 110067 周圍的亮度波動，這些波動被分配給兩顆候選行星，即所謂的TESS 感興趣天體(TOI)。兩年後，在 2022 年 2 月和 3 月，TESS 觀測到了另一片天空，即 49 區，它與 23 區重疊，並包含恆星 HD 110067。根據綜合數據，研究人員得出結論，有兩顆行星。第一顆行星 HD 110067 b（在另一顆恆星上發現的第一顆行星總是帶有字母「b」），其軌道周期為 9.114 天。第二顆行星 HD 110067 c 需要 13,673 天才能完成其恆星軌道。但仍有暫時無法解釋的凌日事件。
2019 年發射到太空的歐空局太空望遠鏡CHEOPS（系外行星衛星特徵）的觀測結果能夠為這個謎團提供更多線索。「借助 CHEOPS，我們能夠在預期凌日事件發生時專門觀察恆星，」博士解釋道。Alexis MS Smith，DLR 作者之一、CHEOPS 科學團隊的科學家“這是進一步解釋該系統的關鍵。” CHEOPS 數據證實了第三顆行星 HD 110067 d，它繞恆星運行一周需要 20,519 天。作為比較：在我們的太陽系中，最內層的行星水星的軌道周期為 88 天。如果你觀察這三顆行星的軌道周期，它們的比率為3 比2。因此，雖然行星“b”圍繞其恆星完成了三個軌道，但“c”只完成了兩個軌道，行星“d”完成了兩個軌道因為「c」繞恆星運行三圈。所有三顆行星的軌道周期都是整數共振比，在這種情況下，這對應於音樂和聲的五分之一。
然而，來自每個 TESS 扇區的數據進一步下降，即在一段時間內記錄的星光強度及其光曲線出現“凹陷”，從而表明其他行星可能發生過境事件。前面這顆星但無法分配。假設諧波排列可以繼續，來自兩個 TESS 扇區的兩次凌日 - 因此在時間上分開 - 可以分配給第四顆行星：HD 110067 e，軌道周期為 30.8 天，現在與行星 d 在一起比例為3：2。
就像莫札特的《小夜音樂》中的共鳴
然後在 TESS 49 區發生了兩次單獨的凌日事件，懷疑在其後面還有兩顆行星 f 和 g。對穩定軌道和軌道周期可能組合的數學考慮，與所發現的數據無縫吻合，產生了另外兩顆行星：軌道周期為 41.0 天的 HD 110067 f 和軌道周期為 54.7 天的 HD 110067g。這意味著行星f和e的軌道周期比以及行星g和f之間的軌道周期比顯示出4:3的共振。從音樂上來說，這是一個第四度，例如莫札特《小夜曲》中著名的「純」第四度。
根據這些軌道時間，在第 23 區的觀測期間，應該可以更早看到這兩顆行星的凌日。然而，事實證明，在這些相應的時間裡，來自地球和月球的大量散射光落在探測器上，導致了高的、令人不安的背景噪音，導致行星訊號無法被偵測到。通常情況下，這些記錄都會被整理出來，但對已知凌日時間的數據進行新的分析，然後顯示出凌日的光變曲線。
系統在如此長時間內保持不變的情況極為罕見
現在在 HD 110067 周圍發現的多行星系統及其和諧並不是第一個被發現的。然而，像 HD 110067 這樣的系統極為罕見，其中共振在六顆行星的長鏈上同時保持了 80 億年的時間。根據觀測和模型，只有大約百分之一的行星系統保留其原始共振。
軌道的和諧排列排除了過去十億年中的任何重大干擾，因此可以提供有關行星系統形成和演化的資訊。由於HD 110067 是一顆非常明亮的矮星- 視星等- 這顆位於“Berenice”星座的恆星在未來將繼續成為一個非常有趣的觀測目標，可能很快就會被詹姆斯·韋伯望遠鏡更詳細地觀測到。
[照片]
(A) 行星系統中的共振 HD 110067
在距離我們僅100光年多一點的HD 110067恆星上，TESS和CHEOPS太空望遠鏡發現了六顆行星，所有行星繞恆星運行的時間與各自的鄰居成整數比，從而形成共振。如果您定期連接兩個相鄰行星的位置，則會為每對行星創建一個獨特的圖案。六顆行星的共振鏈共同創造出迷人的幾何圖案。這些行星並未以其中心恆星的比例顯示。
(B) 行星系統 HD 110067 中軌道周期的整數共振
經過美國太空總署TESS太空望遠鏡的觀測，最初在HD 110067恆星上發現了兩顆行星，它們繞其中心恆星運行的時間分別為9.1天和13.7天（HD 110067 b和c）。由於共振比為 3 比 2，使用 ESA CHEOPS 太空望遠鏡計算了進一步觀測的時間，在 HD 110067 前方更遠的軌道上運行的行星必須經過其恆星前方並稍微削弱其光線。根據這些“預測”，CHEOPS 實際上可以找到另一顆行星（HD 110067 d），並排除了在共振軌道上存在更多外行星的幾種可能性。這為解釋 TESS 測量的光變曲線中發現的凌日傾角提供了關鍵，而之前無法對其進行分配。這導致了另外三顆外軌道行星：HD 110067 e、f 和 g。
(C) 恆星的「行星競賽」 HD 110067
顯示了所有繞恆星 HD 110067 運行的所有六顆行星各自行星軌道上相對於行星 c 的一個軌道的距離。 由於所有六顆行星都有精確的共振軌道，因此每顆行星的軌道都緊密相連。 行星c繞HD110067每旋轉360度，行星b移動540度，行星d移動240度，行星e移動160度，行星f移動120度，行星g移動90度。
(D) 星座“貝蕾妮絲的頭髮”
約翰內斯·赫維留斯（Johannes Hevelius，1611-1687 年）在其1690 年去世後出版的星圖中，在這幅版畫中描繪了北方星空中的“貝熱尼斯之發”(Coma Berenices )。此外，鄰近的牧夫座星座（熊衛士，位於北邊）由赫維留斯(Hevelius) 引入的蒙斯梅納利斯(Mons Menalis)，阿卡迪亞的一座山)、巨蛇座(蛇)、日冕座(王冠)，以及武仙座、查拉座(獵犬座)、阿夫里翁座(古克里特島的統治者) 和大熊座(大熊座) 。