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第70章 M1207b(2/6)

文学家通过2mASS巡天的红外数据,发现了一颗在可见光波段几乎不可见的暗弱天体。后续观测确认,它的质量约为25倍木星质量(刚好超过褐矮星的质量下限13倍木星),表面温度仅2000K(比太阳低5000K,呈深红色),光谱类型为m8.5(最冷的恒星光谱类型是m9)。

    更关键的是,2m1207A没有“恒星的身份”:它的核心没有氢核聚变,能量来自形成时的引力收缩(类似行星的形成过程)。这种“低温+低光”的特性,让它成为直接成像系外行星的完美目标。

    2. 2m1207b的“发现时刻”:2004年的那个冬天

    2004年,由法国天文学家盖尔·肖万(Gael chauvin)领导的ESo团队,决定用VLt的NAco仪器对准2m1207A——他们的目标是:寻找围绕这颗褐矮星的行星。

    团队的策略很简单:

    - 首先,用自适应光学系统纠正大气扰动,让2m1207A的像变得锐利;

    - 然后,用日冕仪挡住2m1207A的核心光线,只保留周围的衍射光;

    - 最后,拍摄一系列红外图像(波长1.2-2.2微米,对应行星的热辐射),对比不同时间的图像,寻找移动的天体。

    经过数周的观测,团队终于在图像中发现了一个“亮点”:它的位置相对于2m1207A有微小的偏移,符合行星绕恒星公转的轨道特征。进一步的分析显示:

    - 这个亮点的亮度是2m1207A的1\/1000;

    - 轨道半径约为80天文单位(AU,1AU=地球到太阳的距离,约1.5亿公里),相当于太阳系中海王星轨道的2倍;

    - 质量约为5-10倍木星质量(通过轨道运动的质量下限计算);

    - 表面温度约1250K(比木星高10倍,因为形成时的引力收缩仍在释放能量)。

    2004年11月,团队在《自然》杂志发表了这一发现,标题是《direct Imaging of a Sub-Stellar panion to a brown dwarf》(褐矮星周围次恒星伴星的直接成像)。这篇论文的结论震撼了整个天文学界:人类第一次直接看到了系外行星。

    三、2m1207b:“行星”还是“褐矮星”?一场身份之争

    2m1207b的发现引发了激烈的争论:它到底是“行星”,还是“褐矮星”?

    根据国际天文学联合会(IAU)的定义,行星需要满足三个条件:

    1. 围绕恒星(或褐矮星)公转;

    2. 质量足够大,能通过引力坍缩成近似球形;

    3. 清空了轨道附近的区域(即没有其他天体与它竞争质量)。

    而褐矮星的定义是:质量在13-80倍木星之间,能进行氘核聚变,但无法进行氢核聚变。

    1. 质量的边界:5-10倍木星质量,刚好在行星一侧

    2m1207b的质量是5-10倍木星,远低于褐矮星的下限(13倍木星)。更重要的是,它的形成方式——团队通过模拟发现,它不可能通过“直接坍缩”(褐矮星的典型形成方式,即分子云核心直接收缩成天体)形成,而是来自原行星盘的吸积:2m1207A周围的原行星盘里,气体和尘埃逐渐聚集,形成了这颗行星。

    直接坍缩形成的褐矮星,通常质量更大(>13倍木星),且轨道更靠近宿主(因为分子云核心的收缩会让天体快速向中心坠落)。而2m1207b的轨道半径达80AU,且质量在行星范围内,因此属于“行星”。

    2. 温度的秘密:它还在“冷却”中

    2m1207b的表面温度约1250K,远高于木星(-145c,即130K)。这不是因为它离宿主更近(它的轨道半径是木星的50倍以上),而是因为形成时的引力收缩——当天体从原行星盘聚集而成时,引力会将势能转化为热能,使天体升温。木星的核心温度仍有K,就是因为形成时的收缩。

    随着时间推移,2m1207b会逐渐冷却:100万年后,它的温度会降到1000K以下,大气中的甲烷会增多;10亿年后,它会变成一颗“冷行星”,表面温度接近液氮的温度(77K)。

    3. 大气层的证据:它有“行星的皮肤”

    2005年,哈勃空间望远镜的NIcmoS仪器对2m1207b进行了红外光谱观测,发现了甲烷(ch?)的吸收线——这是行星大气的典型特征。褐矮星的大气中也有甲烷,但2m1207b的甲烷吸收线更“宽”,说明它的大气层更厚、更活跃,类似于木星的大气。

    2020年,詹姆斯·韦布空间望远镜(JwSt)的mIRI仪器进一步观测了2m1207b的大气,发现了水蒸汽(h?o)和二氧化碳(co?)的信号。这些分子的丰度与太阳系的气态巨行星(木星、
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