系外行星真实大小：新模型计算显示恒星亮度和磁活动的影响

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低磁场强度的恒星比强磁场的恒星表现出更明显的边缘变暗。这会影响灯光曲线的形状。来源：MPS/hormesdesign.de

据马克斯·普朗克学会：在距离地球700光年的室女座，WASP-39b行星围绕WASP-39恒星运行。这颗气态巨星只需四天多一点的时间就可以完成一个轨道，是研究得最好的系外行星之一。2022年7月投入使用后不久，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将高精度的目光投向了这颗遥远的行星。

数据首次揭示了WASP-39b大气中存在大量水蒸气、甲烷甚至二氧化碳的证据。这是一种轻微的感觉，但仍有一点美中不足：研究人员尚未成功地在模型计算中重现观测结果的所有关键细节。这妨碍了对数据进行更精确的分析。

在MPS领导的这项新研究中，包括美国麻省理工学院、美国太空望远镜科学研究所、英国基尔大学和德国海德堡大学的研究人员在内的作者展示了克服这一障碍的方法。

这项新研究的第一作者、MPS科学家Nadia Kostogriz博士解释道：“在解释WASP-39b数据时出现的问题在许多其他系外行星中都是众所周知的，无论是用开普勒、TESS、詹姆斯·韦伯还是未来的PLATO航天器观测到的。”。“与其他被系外行星环绕的恒星一样，WASP-39的观测光曲线比以前的模型所能解释的更平坦。”

研究人员将光曲线定义为恒星在较长时间内亮度的测量值。例如，恒星的亮度会不断波动，因为它的亮度会受到自然波动的影响。外行星也可以在光线曲线上留下痕迹。如果观测者看到一颗系外行星从其恒星前方经过，就会使星光变暗。

这在光线曲线中反映为亮度的定期反复下降。对这些曲线的精确评估提供了有关行星大小和轨道周期的信息。如果恒星发出的光被分为不同的波长或颜色，研究人员还可以获得有关行星大气层组成的信息。



开普勒通带中的边缘变暗。来源：《自然天文学》（2024）。DOI:10.1038/s41550-024-02252-5

近距离观察恒星的亮度分布

恒星的边缘，即星盘的边缘，在解释其光曲线方面起着决定性的作用。就像在太阳的情况下一样，对观察者来说，肢体看起来比内部区域更暗。然而，这颗恒星实际上并没有在更远的地方发出不那么明亮的光芒。合著者兼MPS主任Laurent Gizon教授解释道：“由于恒星是一个球体，其表面弯曲，我们可以观察到边缘比中心更高、更冷的层。”。他补充道：“因此，这个区域在我们看来更加黑暗。”。

众所周知，边缘变暗会影响光曲线中系外行星信号的确切形状：变暗决定了恒星亮度在行星凌日期间下降然后再次上升的幅度。然而，使用传统的恒星大气模型无法准确地再现观测数据。亮度的下降总是没有模型计算所建议的那么突然。

“很明显，我们错过了准确理解系外行星信号的关键环节，”MPS主任Sami Solaki教授博士说，他是当前研究的合著者。

磁场是拼图中缺失的一块

正如今天公布的计算结果所表明的那样，这个谜题中缺失的部分是恒星磁场。像太阳一样，许多恒星通过巨大的热等离子体流在其内部深处产生磁场。研究人员现在首次能够将磁场纳入他们的肢体变暗模型中。

他们可以证明磁场的强度有一个重要的影响：边缘变暗在磁场较弱的恒星中很明显，而在磁场较强的恒星中则较弱。



太阳边缘变暗。来源：《自然天文学》（2024）。DOI:10.1038/s41550-024-02252-5

研究人员还能够证明，如果将恒星的磁场包括在计算中，观测数据和模型计算之间的差异就会消失。为此，该团队求助于美国国家航空航天局开普勒太空望远镜的精选数据，该望远镜从2009年到2018年捕捉了成千上万颗恒星的光。

在第一步中，科学家们模拟了存在磁场的典型开普勒恒星的大气层。在第二步中，他们根据这些计算生成了“人工”观测数据。与实际数据的比较表明，通过包括磁场，开普勒数据被成功复制。

该团队还将其考虑范围扩展到詹姆斯·韦伯太空望远镜的数据。该望远镜能够将遥远恒星的光分解成不同的波长，从而在被发现的行星的大气层中寻找某些分子的特征信号。

事实证明，母恒星的磁场在不同波长下对恒星边缘变暗的影响不同——因此，在未来的评估中应该考虑到这一点，以获得更精确的结果。

从望远镜到模型

“在过去的几十年里，推进系外行星研究的方法是改进硬件，即旨在搜索和表征新世界的太空望远镜。詹姆斯·韦伯太空望远镜将这一发展推向了新的极限，”当前研究的合著者、MPS研究组组长亚历山大·夏皮罗博士说。他补充道：“下一步是改进和完善模型，以解释这些优秀的数据。”。

为了进一步推进这一发展，研究人员现在希望将他们的分析扩展到与太阳明显不同的恒星。此外，他们的发现提供了使用系外行星恒星的光照曲线来推断恒星磁场强度的可能性，否则通常很难测量。

这项研究发表在《自然天文学》杂志上。