距離太陽50光年之處，一顆名為“飛馬座51b”的行星，正環(huán)繞著它的宿主恒星飛馬座51“貼身”飛行。這顆于1995年10月進(jìn)入人類視野的行星，是人類發(fā)現(xiàn)的首顆熱木星。

　　30年來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的熱木星家族不斷壯大，已達(dá)數(shù)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好奇的謎題。

　　近日，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院系外行星課題組等基于我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡、歐洲航天局“蓋亞”空間探測器等天文設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)，分析了123顆熱木星與宿主恒星年齡的關(guān)系。結(jié)果顯示，約60%的熱木星是在恒星形成后約數(shù)千萬年內(nèi)到達(dá)恒星附近的，約40%的熱木星則是在恒星形成后數(shù)千萬年到數(shù)十億年出現(xiàn)在恒星附近的。

　　隨著宿主恒星年齡增大，環(huán)繞在其周圍的熱木星數(shù)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(fā)于國際期刊《自然·天文學(xué)》。

　　　顛覆傳統(tǒng)行星形成理論

　　太陽系的八大行星一度是天文學(xué)家了解行星“生命史”的坐標(biāo)。在內(nèi)太陽系中，水星、金星、地球和火星的體積和質(zhì)量較小，屬于巖質(zhì)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(tài)巨行星和冰巨行星。

　　為什么太陽系內(nèi)的行星會呈現(xiàn)出“內(nèi)小外大”的構(gòu)型？論文通訊作者、南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授謝基偉解釋，有一個經(jīng)典的行星形成理論被稱為“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(nèi)的‘雪線’大概在火星和木星之間。在‘雪線’之外，水汽會凝結(jié)成冰，使固體物質(zhì)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(jìn)一步吸積大量氣體，誕生出巨行星；而‘雪線’之內(nèi)，行星受恒星活動影響更大、溫度更高，固體物質(zhì)較少，難以形成較大的固態(tài)核心，難以吸附氣體形成巨行星�！闭撐牡谝蛔髡�、中山大學(xué)物理與天文學(xué)院副教授陳迪昌說。

　　但飛馬座51b的發(fā)現(xiàn)，顛覆了天文學(xué)家對行星形成演化的理解。

　　“飛馬座51b大小與木星相當(dāng)，是一顆氣態(tài)巨行星，按理說應(yīng)該在距離飛馬座51很遙遠(yuǎn)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(zhuǎn)周期僅4天，比水星到太陽的距離還近�！敝x基偉說。

　　飛馬座51b被發(fā)現(xiàn)后，越來越多類似的行星進(jìn)入天文學(xué)視野�！八鼈兪侨祟惏l(fā)現(xiàn)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(dá)上千攝氏度，所以被稱為熱木星�！敝x基偉介紹，截至目前，人類已發(fā)現(xiàn)6000多顆系外行星，其中有數(shù)百顆是熱木星。

　　“熱木星的發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)上的一座里程碑，它顛覆了傳統(tǒng)行星形成理論，開拓了人類對行星系統(tǒng)的認(rèn)知�！敝x基偉說。

　　熱木星的發(fā)現(xiàn)，促使人類重新思考行星系統(tǒng)的多樣性。最初發(fā)現(xiàn)飛馬座51b的兩位科學(xué)家也由此獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎。

　　　內(nèi)遷之謎存在三大假說

　　原本應(yīng)該居于遙遠(yuǎn)的嚴(yán)寒地帶、成為一顆大冰球，卻“乾坤大挪移”般移居到宿主恒星附近，擁有一顆“滾燙”的心，熱木星是如何做到的？這一直令天文學(xué)家百思不得其解。

　　“目前主流的理論假說認(rèn)為，熱木星最早形成于距離宿主恒星較遠(yuǎn)的‘雪線’以外，然后通過某種機(jī)制，軌道遷移到當(dāng)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(xué)術(shù)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。陳迪昌介紹，該模型認(rèn)為，氣態(tài)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(jù)該模型的測算，實現(xiàn)軌道遷移只需幾百萬年。

　　第二種是散射遷移模型。該模型認(rèn)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(nèi)完成。

　　第三種是長期混沌模型。該模型認(rèn)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(fā)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(yīng)“俘獲”，形成熱木星。這個過程往往經(jīng)歷數(shù)千萬年至數(shù)十億年。

　　然而，到底哪種機(jī)制在熱木星的形成中起主導(dǎo)作用？不同機(jī)制各自貢獻(xiàn)了多少比例？這些關(guān)鍵問題是當(dāng)前研究的焦點。

　　陳迪昌說，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(xù)的潮汐耗散作用，逐漸失去軌道角動量，向恒星不斷靠近。經(jīng)過足夠長的時間，一些熱木星甚至可能進(jìn)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(jìn)行長期監(jiān)測，對熱木星群體性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)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(jié)果，而已測得的恒星潮汐耗散因子差異較大，原本推測應(yīng)該出現(xiàn)在軌道上的熱木星數(shù)量，又與實際觀測不符，這都為熱木星研究留下諸多待解之謎。”謝基偉說。

　　　揭示熱木星出現(xiàn)規(guī)律

　　此次研究中，科研團(tuán)隊在2023年成果的基礎(chǔ)上，利用我國郭守敬望遠(yuǎn)鏡、歐洲航天局“蓋亞”空間探測器的觀測數(shù)據(jù)，分析了123顆熱木星的出現(xiàn)率隨恒星年齡演化的規(guī)律。

　　“結(jié)果顯示，熱木星的出現(xiàn)率不是簡單隨恒星年齡的增長而均勻下降，而是呈現(xiàn)出明顯的分段衰減特征：前期下降較緩，后期下降速度顯著加快，分段的拐點大約在恒星形成后的20億年�！敝x基偉說。

　　熱木星在恒星周圍的出現(xiàn)為何呈現(xiàn)“前慢后快”特點？陳迪昌解釋，通過將恒星年齡與潮汐演化時標(biāo)進(jìn)行對比，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，這是因為熱木星由兩類族群構(gòu)成：一類是在恒星形成后的數(shù)千萬年內(nèi)，遷移至恒星附近的早期到達(dá)族群；一類是在恒星形成后的數(shù)千萬年至數(shù)十億年間，逐步遷移的晚期到達(dá)族群。兩類族群共同塑造了熱木星整體出現(xiàn)率的演化特征，使其呈現(xiàn)出“先緩后急”的分段衰減模式。

　　通過對兩類族群的化學(xué)和軌道特性進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)晚期到達(dá)族群更傾向于環(huán)繞在富金屬恒星周圍，其行星公轉(zhuǎn)軌道與恒星自轉(zhuǎn)軌道存在明顯傾角，主要分布范圍為10°至90°。

　　通過將觀測結(jié)果與理論模型對比，研究團(tuán)隊進(jìn)一步限定了熱木星形成機(jī)制的貢獻(xiàn)比率。“結(jié)果表明，約60%的熱木星是內(nèi)遷到恒星軌道的‘早到’族群，它們在約千萬年內(nèi)到達(dá)恒星附近；約40%的熱木星則是在恒星形成后的數(shù)千萬年到數(shù)十億年，被不斷輸送到恒星附近的‘晚到’族群�！敝x基偉說。

　　該團(tuán)隊日前發(fā)表于《自然·天文學(xué)》的論文是“行星的空間分布和年齡演化”系列研究計劃的重要突破，也是依托該計劃發(fā)表的第7篇論文。

　　“我們希望通過該計劃建立行星系統(tǒng)的‘時空演化圖譜’，揭示驅(qū)動各種行星族群形成和演化的內(nèi)在機(jī)制，以及其與銀河系演化的深層關(guān)聯(lián)�！标惖喜�說，該計劃依托郭守敬望遠(yuǎn)鏡大規(guī)模光譜巡天優(yōu)勢，構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時空數(shù)據(jù)庫，開展了各種族群行星系統(tǒng)的普查和統(tǒng)計研究，在揭示熱木星和極短周期行星的演化規(guī)律方面取得重要研究成果。

　　“未來，我們會進(jìn)一步研究其他行星族群的形成與起源，構(gòu)建系外行星多類型形成演化規(guī)律的統(tǒng)一圖景，為尋找其他類地行星不斷探索�！敝x基偉說。