科技日报记者 金 凤
距离太阳50光年之处，一颗名为“飞马座51b”的行星，正环绕着它的宿主恒星飞马座51“贴身”飞行。这颗于1995年10月进入人类视野的行星，是人类发现的首颗热木星。
30年来，天文学家发现的热木星家族不断壮大，已达数百颗。然而，热木星从何处来，又是如何演化的，依然是一个令人既困惑又好奇的谜题。
近日，南京大学天文与空间科学学院系外行星课题组等基于我国郭守敬望远镜、欧洲航天局“盖亚”空间探测器等天文设备的观测数据，分析了123颗热木星与宿主恒星年龄的关系。结果显示，约60%的热木星是在恒星形成后约数千万年内到达恒星附近的，约40%的热木星则是在恒星形成后数千万年到数十亿年出现在恒星附近的。
随着宿主恒星年龄增大，环绕在其周围的热木星数量呈下降趋势，但这种下降不是匀速的，而是在恒星年龄约20亿年处有一个明显的“拐点”。这一研究成果近日刊发于国际期刊《自然·天文学》。
颠覆传统行星形成理论
太阳系的八大行星一度是天文学家了解行星“生命史”的坐标。在内太阳系中，水星、金星、地球和火星的体积和质量较小，属于岩质行星，也称类地行星；外太阳系则分布着木星、土星、天王星、海王星，它们体积更大，属于气态巨行星和冰巨行星。
为什么太阳系内的行星会呈现出“内小外大”的构型？论文通讯作者、南京大学天文与空间科学学院教授谢基伟解释，有一个经典的行星形成理论被称为“雪线”理论。这有点类似地球上的高山，山顶常被积雪覆盖，而山脚则无雪迹，这中间存在一条明显的分界线，便是“雪线”。“太阳系内的‘雪线’大概在火星和木星之间。在‘雪线’之外，水汽会凝结成冰，使固体物质的含量显著增加，从而能够更快地形成足够大的固体核心，并进一步吸积大量气体，诞生出巨行星；而‘雪线’之内，行星受恒星活动影响更大、温度更高，固体物质较少，难以形成较大的固态核心，难以吸附气体形成巨行星。”论文第一作者、中山大学物理与天文学院副教授陈迪昌说。
但飞马座51b的发现，颠覆了天文学家对行星形成演化的理解。
“飞马座51b大小与木星相当，是一颗气态巨行星，按理说应该在距离飞马座51很遥远的寒冷地带形成，就像木星处于太阳系的‘雪线’外一样。但它距离宿主恒星的距离很近，仅为地球与太阳距离的二十分之一，公转周期仅4天，比水星到太阳的距离还近。”谢基伟说。
飞马座51b被发现后，越来越多类似的行星进入天文学视野。“它们是人类发现的第一批太阳系外行星，大小与太阳系中的木星相近，但距离宿主恒星极近，通常不到地球与太阳距离的十分之一，因此表面温度高达上千摄氏度，所以被称为热木星。”谢基伟介绍，截至目前，人类已发现6000多颗系外行星，其中有数百颗是热木星。
“热木星的发现是天文学上的一座里程碑，它颠覆了传统行星形成理论，开拓了人类对行星系统的认知。”谢基伟说。
热木星的发现，促使人类重新思考行星系统的多样性。最初发现飞马座51b的两位科学家也由此获得2019年诺贝尔物理学奖。
内迁之谜存在三大假说
原本应该居于遥远的严寒地带、成为一颗大冰球，却“乾坤大挪移”般移居到宿主恒星附近，拥有一颗“滚烫”的心，热木星是如何做到的？这一直令天文学家百思不得其解。
“目前主流的理论假说认为，热木星最早形成于距离宿主恒星较远的‘雪线’以外，然后通过某种机制，轨道迁移到当前离主星很近的位置。”谢基伟说。
但热木星是如何完成轨道迁移的，学术界众说纷纭，主流观点集中于三种理论模型。
第一种是盘迁移模型。陈迪昌介绍，该模型认为，气态巨行星形成后，与原行星盘相互作用，在此过程中，行星消耗了自身的能量，被拉向恒星。根据该模型的测算，实现轨道迁移只需几百万年。
第二种是散射迁移模型。该模型认为，原行星盘消散后，各大行星近距离交会，一些行星被“排挤”到恒星附近，形成热木星。这种迁移的速度理论上比盘迁移慢，但基本可以在1亿年内完成。
第三种是长期混沌模型。该模型认为，多颗行星在相互引力长期作用下的演化是“混沌”的，一些行星会被偶然激发到偏心率极高的轨道，从而在轨道近星点附近被恒星引起的潮汐效应“俘获”，形成热木星。这个过程往往经历数千万年至数十亿年。
然而，到底哪种机制在热木星的形成中起主导作用？不同机制各自贡献了多少比例？这些关键问题是当前研究的焦点。
陈迪昌说，在热木星形成后的长期轨道演化中，热木星由于距离宿主恒星近，会受到持续的潮汐耗散作用，逐渐失去轨道角动量，向恒星不断靠近。经过足够长的时间，一些热木星甚至可能进入恒星大气，被瓦解吞噬。因此，热木星也为研究潮汐相互作用和测定恒星潮汐耗散因子提供了理想的“天然实验室”。
“此前，已有研究通过对单个热木星进行长期监测，对热木星群体性质进行统计分析，来探讨其潮汐演化过程，但仍缺乏具有代表性的大样本观测结果，而已测得的恒星潮汐耗散因子差异较大，原本推测应该出现在轨道上的热木星数量，又与实际观测不符，这都为热木星研究留下诸多待解之谜。”谢基伟说。
揭示热木星出现规律
此次研究中，科研团队在2023年成果的基础上，利用我国郭守敬望远镜、欧洲航天局“盖亚”空间探测器的观测数据，分析了123颗热木星的出现率随恒星年龄演化的规律。
“结果显示，热木星的出现率不是简单随恒星年龄的增长而均匀下降，而是呈现出明显的分段衰减特征：前期下降较缓，后期下降速度显著加快，分段的拐点大约在恒星形成后的20亿年。”谢基伟说。
热木星在恒星周围的出现为何呈现“前慢后快”特点？陈迪昌解释，通过将恒星年龄与潮汐演化时标进行对比，研究团队发现，这是因为热木星由两类族群构成：一类是在恒星形成后的数千万年内，迁移至恒星附近的早期到达族群；一类是在恒星形成后的数千万年至数十亿年间，逐步迁移的晚期到达族群。两类族群共同塑造了热木星整体出现率的演化特征，使其呈现出“先缓后急”的分段衰减模式。
通过对两类族群的化学和轨道特性进行分析，研究团队发现晚期到达族群更倾向于环绕在富金属恒星周围，其行星公转轨道与恒星自转轨道存在明显倾角，主要分布范围为10°至90°。
通过将观测结果与理论模型对比，研究团队进一步限定了热木星形成机制的贡献比率。“结果表明，约60%的热木星是内迁到恒星轨道的‘早到’族群，它们在约千万年内到达恒星附近；约40%的热木星则是在恒星形成后的数千万年到数十亿年，被不断输送到恒星附近的‘晚到’族群。”谢基伟说。
该团队日前发表于《自然·天文学》的论文是“行星的空间分布和年龄演化”系列研究计划的重要突破，也是依托该计划发表的第7篇论文。
“我们希望通过该计划建立行星系统的‘时空演化图谱’，揭示驱动各种行星族群形成和演化的内在机制，以及其与银河系演化的深层关联。”陈迪昌说，该计划依托郭守敬望远镜大规模光谱巡天优势，构建了包含数千颗系外行星的时空数据库，开展了各种族群行星系统的普查和统计研究，在揭示热木星和极短周期行星的演化规律方面取得重要研究成果。
“未来，我们会进一步研究其他行星族群的形成与起源，构建系外行星多类型形成演化规律的统一图景，为寻找其他类地行星不断探索。”谢基伟说。
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