一年只有16小時(shí)？這顆行星刷新了“最短新年”紀(jì)錄

Do there exist many worlds, or is there but a single world?

This is one of the most noble and exalted questions in the study of Nature.

——Saint Albertus Magnus (c. 1206–1280)

世界有許多個(gè)？還是只有一個(gè)? 這是對(duì)大自然的研究中最崇高和最令人激動(dòng)的問題之一。

——圣艾爾伯圖斯·麥格努斯（公元1204-1280）

夜落星河，繁星滿天。

在科技不斷發(fā)展的今天，我們知道宇宙中還存在很多太陽這樣的恒星，它們中的大多數(shù)也都有行星圍繞。

圖片來源：veer圖庫

行星是由星子在原行星盤中演化而來，根據(jù)形成環(huán)境和演化軌跡的不同，行星有著豐富多彩的形態(tài)和種類。長期以來，人們普遍認(rèn)為系外行星與太陽系內(nèi)的行星類似。直到1995年，瑞士天文學(xué)家Mayor和Queloz的發(fā)現(xiàn)打破了人類在搜尋行星過程中思想上的束縛。他們發(fā)現(xiàn)了一種全新的行星形態(tài)——熱木星。

熱木星與太陽系8顆行星截然不同，它們的質(zhì)量像木星一樣巨大，但公轉(zhuǎn)周期卻極短，只有不到10天，而木星的公轉(zhuǎn)周期有12年。

近日，來自MIT的天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一顆公轉(zhuǎn)周期僅有16小時(shí)的熱木星，這顆熾熱的龐然大物刷新了氣態(tài)巨行星“最短新年”的紀(jì)錄。這項(xiàng)研究發(fā)表在《天文學(xué)報(bào)》(The Astronomical Journal)上。

超熱木星，藝術(shù)想象圖

（圖片來源：ESA/ATG medialab, CC BY-SA 3.0 IGO)

行星漫游指南：熱木星篇

截至目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4800多顆系外行星，熱木星在其中僅占9%，而圍繞在類太陽恒星周圍的熱木星則更加稀少，僅占0.5%。

系外行星分布圖（橫坐標(biāo)是行星的公轉(zhuǎn)軌道周期，縱坐標(biāo)是行星的最小質(zhì)量。圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)表示4800顆已發(fā)現(xiàn)的系外行星，不同的顏色代表不同的探測方法。黃色陰影區(qū)域?yàn)闊崮拘堑姆秶?，左上角的行星是本文提到的TOI-2109。）

（圖片來源：作者供，工具：python。數(shù)據(jù)下載自The Extrasolar Planets Encyclopaedia數(shù)據(jù)庫）

對(duì)天文學(xué)家而言，這種奇異的行星至關(guān)重要，它與我們所熟悉的太陽系內(nèi)的巨行星大相徑庭，對(duì)它們的研究有望揭示行星系統(tǒng)的起源與形成，進(jìn)而深化人類對(duì)生命誕生和演化的理解。

此次發(fā)現(xiàn)的這顆編號(hào)為TOI-2109b的熱木星位于武仙座，距離地球約855光年，圍繞著一顆F型主序星進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。這顆行星的半徑是木星的1.35倍，但質(zhì)量卻是木星的5倍，堪稱“龐然大物”。然而，它的運(yùn)行軌道離“太陽”非常近，軌道半徑僅為0.018AU（天文單位，1AU=日地距離），約為水星軌道半徑的1/22。

形象地來說，這幅圖景相當(dāng)于我們站在上帝視角，把木星搓大一點(diǎn)，然后直接丟到最內(nèi)側(cè)的水星軌道以內(nèi)1/22的地方。

根據(jù)開普勒第三定律，行星的公轉(zhuǎn)軌道半徑越小，公轉(zhuǎn)周期越短。因此，假設(shè)我們站在這顆熱木星上，那么一年只有16小時(shí)。

面對(duì)這幅奇妙的場景，我們肯定有許多疑問：為什么它和我們的太陽系行星如此不同？它是如何誕生的？它為什么會(huì)出現(xiàn)在如此近的軌道上？想要回答這些問題，我們首先得知道，熱木星從哪兒來？

進(jìn)擊的熱木星：從前世今生說起

說到氣態(tài)巨行星（Gas Giant），很多人想到的應(yīng)該是木星和土星。它們主要由氫和氦兩種元素組成。在它們的中央是由巖石或冰物質(zhì)組成的固態(tài)核心，中間層是由高壓下呈液態(tài)金屬相的氫和氦組成的區(qū)域，外層則是大量由液態(tài)逐漸過度到氣態(tài)的氫和氦。由于中心所占比例很小，因此我們可以簡單地把氣態(tài)巨行星看作是一個(gè)巨型的氣體球。

熱木星在組成上與太陽系內(nèi)的氣態(tài)巨行星比較接近，但彼此間的形成過程卻差異巨大。關(guān)于熱木星的起源問題，目前學(xué)術(shù)界主要有兩種理論，即“遷移”假說和“原位形成”假說，而前者最被廣泛接受。

遷移假說認(rèn)為，在恒星形成初期，熱木星的雛形首先在雪線以外的較遠(yuǎn)位置由固態(tài)的巖石、冰塊和氣體聚合而成。

“雪線”是指在行星形成的過程中，某種揮發(fā)性的化合物（例如水，氨，甲烷、二氧化碳等）在距離中心恒星足夠遠(yuǎn)的特定位置上能夠凝結(jié)成固態(tài)冰顆粒的分界線。一般認(rèn)為質(zhì)量較小的巖石行星更容易形成于雪線以內(nèi)，質(zhì)量較大的氣態(tài)巨行星形成在雪線以外。

熱木星遷移假說及遷移路線示意圖

（圖片來源: NASA/JPL-Caltech）

形成之初，熱木星與木星在差不多的軌道位置處誕生。但由于所處的原行星盤質(zhì)量分布環(huán)境和初始角動(dòng)量等因素的不同，木星和熱木星產(chǎn)生了截然不同的演化路線，熱木星的雛形開始逐漸向內(nèi)側(cè)遷移（Ⅱ型遷移）。在此過程中，它沿路清掃軌跡上的物質(zhì)和小天體，質(zhì)量不斷增大，最終來到了距離恒星很近的位置上。

天文學(xué)家進(jìn)一步觀測發(fā)現(xiàn)，TOI-2109b目前正處于潮汐鎖定和軌道衰減的過程中，它的軌道形成了1:1的共振比，始終只有一面朝向恒星，同時(shí)軌道半徑還在進(jìn)一步地縮小。通過不斷的物質(zhì)吸積，或許它將走向被中心恒星逐漸吞噬的命運(yùn)。

探索發(fā)現(xiàn)之路：從掩食信號(hào)中被發(fā)現(xiàn)

那么，這顆刷新了紀(jì)錄的行星是怎么被發(fā)現(xiàn)的呢？這就得從NASA發(fā)射的TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)空間望遠(yuǎn)鏡說起。

2020年5月13日，TESS開始記錄TOI-2109這顆恒星的凌星數(shù)據(jù)，在此后將近一個(gè)月的時(shí)間里，天文學(xué)家們從這顆恒星的光變曲線里分析出了周期性的掩食信號(hào)，確認(rèn)了有一顆行星在以每16小時(shí)一個(gè)周期的節(jié)奏繞恒星運(yùn)動(dòng)。

掩食探測方法或凌星探測方法示意圖

（圖片來源：作者供。數(shù)據(jù)來源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）

在接下來的一年時(shí)間里，來自各國的天文學(xué)家們利用不同臺(tái)址的望遠(yuǎn)鏡對(duì)這顆恒星展開了更細(xì)致的光譜跟蹤觀測。這些后續(xù)觀測證實(shí)了TESS一開始的發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)了這顆周期最短的氣態(tài)巨行星。

多普勒視向速度方法示意圖

（圖片來源：作者供。數(shù)據(jù)來源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）

目前，人類共探測到了434顆熱木星，它們的軌道周期通常都小于10天。這次TOI-2109b又刷新了紀(jì)錄，公轉(zhuǎn)周期更短，表面溫度極高（約3500K），已然接近晚型的恒星和褐矮星。因此TOI-2109b應(yīng)歸類于一個(gè)子分支——超熱木星或極熱木星（Ultrahot Jupiter）。

天文學(xué)家們計(jì)劃在未來使用剛剛發(fā)射的詹姆斯·韋布空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope, JWST）對(duì)這個(gè)行星系統(tǒng)在更寬的波段和更高的分辨率下進(jìn)行觀測研究，從而揭開超熱木星的更多奧秘。

紀(jì)錄的存在是為了打破，行星如此，勇攀科學(xué)高峰之路亦是如此。超熱木星TOI-2109b的發(fā)現(xiàn)，既是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和理論的優(yōu)雅應(yīng)用，也是學(xué)術(shù)國際合作的寶貴典范。它的存在使我們重新審視了行星形成的模型和理論，豐富了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，也給未來的研究帶來了更多的可能性。

參考資料：

1. Wong, I. et al. TOI-2109: An Ultrahot Gas Giant on a 16 hr Orbit. The Astronomical Journal 162, 256 (2021).

2. Howard, A. W. et al. Planet occurrence within 0.25AU of solar-type stars from Kepler. Astrophysical Journal, Supplement Series vol. 201 15 (2012).

3. Ricker, G. R. et al. Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). in Space Telescopes and Instrumentation 2014: Optical, Infrared, and Millimeter Wave vol. 9143 914320 (SPIE, 2014).

4. Ida, S. & Lin, D. N. C. Toward a deterministic model of planetary formation. VI. Dynamical interaction and coagulation of multiple rocky embryos and super-Earth systems around solar-type stars. Astrophysical Journal 719, 810–830 (2010).

5. Gardner, J. P. et al. The James Webb space telescope. Space Science Reviews 123, 485–606 (2006).

6. Greene, T. P. et al. Characterizing transiting exoplanet atmospheres with jwst.The Astrophysical Journal 817, 17 (2016).