天文學家揭秘熱木星“奔赴”恒星之謎
距離太陽50光年的宇宙深處，一顆名為飛馬座51b的行星，正環繞著它的宿主恒星飛馬座51“貼身”飛行。這顆于1995年10月進入人類視野的行星，是人類發現的首顆熱木星。
30年來，天文學家發現的熱木星家族不斷壯大，已達數百顆。然而，熱木星從何處來，又是如何演化的，依然是一個令人既困惑又極具吸引力的謎題。
近日，南京大學天文與空間科學學院的系外行星課題組基于我國郭守敬望遠鏡、歐洲航天局“蓋亞”空間探測器等天文設備的觀測數據，分析了123顆熱木星與宿主恒星年齡的關系。結果顯示，約60%的熱木星是在恒星形成后約數千萬年內到達恒星附近；約40%的熱木星則是在數千萬年到數十億年間出現在恒星附近。
隨著宿主恒星年齡增大，環繞在其周圍的熱木星數量呈下降趨勢，但這種下降不是勻速的，而是在恒星年齡約20億年處有一個明顯的“拐點”。這一研究成果近日刊發于國際學術期刊《自然·天文學》。
熱木星顛覆傳統行星形成理論，發現者曾獲諾獎
太陽系的八大行星一度是天文學家了解行星“生命史”的坐標。在內太陽系中，水星、金星、地球和火星的體積和質量較小，屬于巖質行星，也稱類地行星；外太陽系則分布著木星、土星、天王星、海王星，它們體積更大，屬于氣態巨行星和冰巨行星。
為什么太陽系內的行星會呈現出“內小外大”的構型？論文通訊作者、南京大學天文與空間科學學院教授謝基偉解釋，經典的行星形成理論有一個“雪線”理論。這有點類似地球上的高山，山頂常被積雪覆蓋，而山腳則無雪跡，這中間存在一條明顯的分界線，便是“雪線”。
“太陽系內的雪線大概在火星和木星之間。在雪線之外，水汽會凝結成冰，使固體物質的含量顯著增加，從而能夠更快地形成足夠大的固體核心，并進一步吸積大量氣體，誕生出巨行星；而雪線之內，行星受恒星活動影響更大、溫度更高，固體物質較少，難以形成較大的固態核心，以吸附氣體、來形成巨行星。”謝基偉說。
但飛馬座51b的發現，顛覆了天文學家對行星形成演化的理解。
“飛馬座51b的大小與木星相當，是一顆氣態巨行星，按理說應該在距離飛馬座51很遙遠的寒冷地帶形成，就像木星處于太陽系的雪線外一樣。但它距離宿主恒星的距離很近，僅為地球與太陽距離的二十分之一，公轉周期僅4天，比水星到太陽的距離還近。”謝基偉說。
飛馬座51b被發現后，越來越多類似的行星進入天文學視野。“它們是人類發現的第一批太陽系外行星，大小與太陽系中的木星相近，但距離宿主恒星極近，通常不到地球與太陽距離的十分之一，因此表面溫度高達上千攝氏度，所以被稱為‘熱木星’。”謝基偉介紹，截至目前，人類已發現6000多顆系外行星，其中有數百顆是熱木星。
“熱木星的發現是天文學上的一座里程碑，它顛覆了傳統行星形成理論。”謝基偉道出熱木星的發現，在天文學史上的意義：它不僅開拓了人類對行星系統的認知，也對傳統的行星形成與演化理論提出了挑戰。
熱木星的發現，促使人類重新思考行星系統的多樣性。最初發現飛馬座51b的兩位科學家也由此獲得2019年諾貝爾物理學獎。
熱木星內遷之謎存三大“假說”，亟需大樣本觀測驗證
原本應該居住于遙遠的“嚴寒”地帶、成為一顆大冰球的熱木星，卻“乾坤大挪移”般移居到宿主恒星附近，擁有一顆“滾燙”的心，它們是如何做到的，一直令天文學家百思不得其解。
“目前主流的理論假說認為，熱木星最早形成于距離宿主恒星較遠的雪線以外，然后通過某種機制，軌道遷移到當前離主星很近的位置。”謝基偉說。
但熱木星是如何完成軌道遷移的，學術界眾說紛紜，主流觀點集中于三種理論模型。
第一種是“盤遷移模型”。謝基偉介紹，該模型認為，氣態巨行星形成后，與原行星盤相互作用，在此過程中，行星消耗了自身的能量，被拉向恒星，根據該模型的測算，實現軌道遷移只需幾百萬年。
其次是“散射遷移模型”，認為原行星盤消散后，各大行星近距離交會，一些行星被“排擠”到恒星附近，形成熱木星。這種遷移的速度理論上比盤遷移慢，但基本可以在1億年內完成。
第三種是“長期混沌”模型，認為多顆行星在相互引力長期作用下的演化是“混沌”的，一些行星會被“偶然”激發到偏心率極高的軌道，從而在軌道近星點附近被恒星引起的潮汐效應“俘獲”，形成熱木星。這個過程往往經歷數千萬年至數十億年。
然而，到底哪種機制在熱木星的形成中起主導作用？不同機制各自貢獻了多少比例？這些關鍵問題仍是當前研究的焦點難題。
謝基偉表示，在熱木星形成后的長期軌道演化中，熱木星由于距離宿主恒星近，會受到持續的潮汐耗散作用，逐漸失去軌道角動量，向恒星不斷靠近。經過足夠長的時間，一些熱木星甚至可能進入恒星大氣，被瓦解吞噬。因此，熱木星也為研究潮汐相互作用和測定恒星潮汐耗散因子提供了理想的“天然實驗室”。
“此前，已有研究通過對單個熱木星進行長期監測，對熱木星群體性質進行統計分析，來探討其潮汐演化過程，但仍缺乏具有代表性的大樣本觀測結果，而已測得的恒星潮汐耗散因子差異較大，原本推測應該出現在軌道上的熱木星數量，又與實際觀測不符，這都為熱木星的研究留下諸多待解之謎。”謝基偉說。
兩大族群“性情相異”，奔赴之旅“先緩后急”
此次研究中，科研團隊在2023年成果的基礎上，利用我國郭守敬望遠鏡、歐洲航天局“蓋亞”空間探測器的觀測數據，分析了123顆熱木星的出現率隨恒星年齡的演化規律。
“結果顯示，熱木星的出現率不是簡單地隨恒星年齡的增長而均勻下降，而是呈現出明顯的分段衰減特征：前期下降較緩，后期其下降速度顯著加快，分段的拐點大約在恒星形成后的20億年。”謝基偉說。
熱木星在恒星周圍的出現為何呈現“前慢后快”的特點？謝基偉解釋，通過將恒星年齡與潮汐演化時標進行對比，研究團隊發現，這一分段衰減規律，源于熱木星由兩類族群構成：一類是在恒星形成后的數千萬年內，即遷移至恒星附近的早期到達族群，一類是在恒星形成后的數千萬年至數十億年間，逐步遷移的晚期到達族群。兩類族群共同塑造了熱木星整體出現率的演化特征，使其呈現出先緩后急的分段衰減模式。
研究團隊還對兩類族群的化學和軌道特性進行了分析，發現晚期到達族群更傾向于環繞在富金屬恒星周圍，其行星公轉軌道與恒星自轉軌道存在明顯傾角，主要分布在10°至90°之間。
通過將觀測結果與理論模型對比，研究團隊進一步限定了熱木星形成機制的貢獻比率。“結果表明約60%的熱木星是內遷到恒星軌道的‘早到’族群，在約千萬年內到達恒星附近；約40%的熱木星則是在恒星形成后的數千萬年到數十億年間，被不斷輸送到恒星附近的‘晚到’族群。”謝基偉說。
10月31日，《自然·天文學》雜志刊發的謝基偉團隊的這篇論文，是“行星的空間分布和年齡演化”系列研究計劃的重要突破，也是該系列成果論文的第7篇。
“我們希望通過該計劃建立行星系統的‘時空演化圖譜’，揭示驅動各種行星族群形成和演化的內在機制，以及其與銀河系演化的深層關聯。”謝基偉說，該計劃依托郭守敬望遠鏡大樣本巡天優勢，構建了包含數千顆系外行星的時空數據庫，開展了各種族群行星系統的普查和統計研究，并在揭示熱木星和極短周期行星的演化規律方面已取得了重要研究成果。
“未來，我們會進一步研究其他行星族群的形成與起源，構建系外行星多類型形成演化的統一圖景，也為尋找其他類地行星不斷探索。”謝基偉說。
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