发现低密度系外行星!太轻了,只有0.31克每立方厘米!

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  开普勒太空望远镜项目及其扩展项目K2发现了数千颗系外行星,开普勒号利用凌日技术探测到这些系外行星,从地球上观察,当一颗轨道行星从它的主恒星表面经过时,就会测量光强度的下降。

  

  凌日不仅可以测量轨道周期,而且往往可以从其凌日曲线的详细深度和形状以及主恒星的性质来确定系外行星大小。然而,凌日法并不能测量行星的质量。相比之下,径向速度法测量是主恒星在绕轨道运行系外行星引力作用下的摆动,可以测量其质量。

  

  知道一颗行星的半径和质量,就可以确定它的平均密度,从而得到其组成的线索。大约15年前,CfA天文学家和其他天文学家意识到,在多颗行星的行星系统中,一颗行星对另一颗行星周期性的引力牵引会改变轨道参数。虽然凌日法不能直接测量系外行星的质量,但它可以探测到这些轨道的变化,并可以对这些变化建立模型来推断质量。开普勒发现了数百个具有凌日变化的系外行星系统,其中数十个已经成功地建立了模型。

  

  令人惊讶的是,这一过程似乎发现了密度非常低的系外行星普遍存在。例如,开普勒-9星系似乎有两颗密度分别为0.42克和0.31克每立方厘米的行星。相比之下,岩石地球的平均密度是5.51克每立方厘米,水的密度是1.0克每立方厘米,气体巨星土星是0.69克每立方厘米。这一惊人的结果使人们对过境时间变化方法的一个或多个部分产生了一些怀疑,并引起了长期的关注。CfA天文学家通过径向速度法测量开普勒-9行星密度来测试该方法的可靠性。

  

  开普勒-9的两颗类土星行星属于一小群系外行星,它们的质量可以用任何一种技术测量(如果只是勉强)。用HARPS-N光谱仪对拉帕尔马的伽利略望远镜进行了16个观测测试,HARPS-N通常可以测量速度变化,误差最小可达每小时20英里。其研究结果证实了此前得到密度非常低,并验证了凌日法的能力。通过对开普勒-9多行星系统的分析,研究了行星质量测量的偏差。尽管ttv是第一个以ttv为特征的系统,但是在文献中有几个不同的解决方案,那些报告较低行星密度的方案显然与高精度RV观测结果不一致。

  

  为了解决这个问题,收集了HARPS-N RVs在文献中不同解的预测RV曲线差异最大处。重新分析了整个开普勒数据集,并在贝叶斯框架下,利用新推导出的凌日中心时间和持续时间进行了动态拟合。将这些结果与RV的数据进行了比较,发现新解决方案更好地描述了RV观测结果,证实TTV法可以提供与高精度RVs法相一致的质量测定结果。行星低密度使它们位于质量半径图中超级海王星/膨胀的亚土星的区域。

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