“大火炉”之侧岂容“大雪球”,热木星“搬家”不是为了取暖 我国天文学者揭开热木星轨道“内迁”之谜 　　1995年10月,人类首次在一颗类似太阳的恒星周边发现了行星“飞马座51b”,开启了系外行星研究的序章。但稍微研究飞马座51b的性质和轨道以后,不少天文学家就惊讶地发现:“它不应该在那里。”
　　在人类发现首颗热木星30周年之际,南京大学谢基伟团队利用郭守敬望远镜等国内外天文设备的观测数据,发现了这类高温气态巨行星的形成与演化规律——热木星“搬家”到恒星附近不是为了“取暖”,而是与其他天体长期相互作用的偶然结果。国际学术期刊《自然-天文学》10月31日在线发表相关论文。

　　突破传统行星理论
　　和木星类似,飞马座51b是一颗气态巨行星,但它的轨道离宿主恒星太近了。有多近?地球到太阳距离的二十分之一。
　　离太阳最近的行星是水星,上面根本没有水,白天时是一片极端炎热的世界,飞马座51b离其宿主恒星比水星离太阳还要近得多。
　　“这是一个与直觉相悖的发现。飞马座51b超越了传统行星形成和演化理论。”南京大学天文与空间科学学院谢基伟教授介绍,人类认识行星,就是从研究太阳系的八大行星开始的。内太阳系有水星、金星、地球和火星,它们体积和质量较小,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、海王星这四颗气态巨行星和冰巨星。
　　为什么太阳系呈现出这种“内小外大”的构型?经典的行星形成理论提出了“雪线”的概念。
　　正如地球上的高峰都有一道鲜明的“雪线”,在雪线以下,降雪就难以形成积雪。太阳系的雪线大致在火星和木星之间,即小行星带的位置。在雪线以外,水汽凝结成冰,能够更快地形成足够大的固态核心,并不断加速吸附气体等物质,最终形成巨行星。雪线以内受恒星活动影响更大,不仅难以形成较大的固态核心,可供吸附的物质也较少。
　　环境如此恶劣,飞马座51b何以安居恒星的“卧榻之侧”?就好比大火炉的旁边怎么可能放得住一个大雪球呢,分分钟就融化了。
　　为了解决种种矛盾和谜题,一个全新的行星类型——热木星,被划分出来。
　　谢基伟说,热木星的发现堪称天文学上的里程碑。它为人类打开了一扇新世界的大门,拓展了人类对行星的认知边界,飞马座51b的两位发现者也于2019年获得诺贝尔物理学奖。
　　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。尽管前人已经对热木星做过不少研究,但它们到底如何形成、如何演化,仍有不少问题留待解答。
热木星也“三迁”
　　为什么热木星会出现在它本不该出现的位置,目前天文学界的主流观点仍倾向于在传统理论的基础上“打补丁”,也就是认为热木星还是在远离恒星的寒冷地带形成的,只不过在某种机制作用下迁移到了离恒星极近的轨道。
　　具体是什么机制,天文学界莫衷一是,大致有三种模型。
　　首先是“盘迁移模型”,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。
　　其次叫“散射迁移模型”,认为原行星盘消散后,各大行星近距离交汇,犹如一场大型交通事故,导致一些行星被“排挤”到恒星附近,形成热木星。理论上,这种迁移的速度比盘迁移慢,但基本可以在1亿年内完成。
　　此外还有“长期混沌”等机制,轨道内迁用时更漫长,可能需要上亿乃至数十亿年。
　　原来热木星也有“三迁”。谢基伟所领导的国际研究团队,目标就是想精确地测算出这几种迁移机制分别贡献了多少热木星。
　　如何下手呢?谢基伟在热木星与宿主恒星的年龄上找到了突破口。
　　由于离宿主恒星太近,热木星都处于“潮汐锁定”的状态。月球就被地球潮汐锁定,永远以同一面对着地球,热木星也是如此。在潮汐耗散作用下,热木星逐渐失去轨道角动量,不断向恒星跌落,最终被恒星撕裂、吞噬。
　　因此,年龄越大的恒星系,出现热木星的概率应该越低。
　　2023年,谢基伟团队小试牛刀,根据74颗热木星的观测数据,首次发现热木星的出现率确实随着恒星系的年龄增长而下降。
　　虽然这只是一个定性的结论,却解决了困扰研究人员20多年的问题——1999年,哈勃望远镜曾对准球状星团,试图以其强大的光学成像能力探测到热木星,结果却一无所获。现在回头看原因很简单,当时的研究人员忽视了年龄这个要素。球状星团虽然是一片稠密星区,但其中不少恒星已经上百亿岁,即便曾经存在热木星,绝大多数也会因为潮汐作用而湮没在恒星的辉光中。
　　这一次,谢基伟团队利用中国郭守敬望远镜和欧洲航天局“盖亚”空间探测器等国内外天文设备的观测数据,将样本扩大到123颗热木星,得出了更加精确的定量分析结论。
　　结果显示,随着恒星年龄增长,热木星的出现率并非一成不变地匀速下降,而是“分段衰减、前慢后快”,以20亿年为拐点,在此之前减少得慢,后期减少得快。
　　进一步研究发现,热木星分为“早来族”和“晚来族”,而且“早的很早,晚的很晚”。前者约占六成,在宿主恒星形成的最初几千万年内便已“内迁”；剩下约四成“晚来族”,则是在接下来上亿乃至数十亿年的漫长岁月里,与其他天体长期相互作用,通过“长期混沌”机制偶然被输送到恒星附近的。
　　研究团队还对比了两大族群的“身份特征”,发现“晚来族”更喜欢出现在金属元素丰富的恒星周围,且其轨道面与恒星自转轴存在显著夹角。这些特征完美印证了“长期混沌”机制的理论假设,强有力地证明该机制正是“晚来族”的主要来源。
　　“天文学上将所有比氢和氦重的元素统称为金属。我们知道恒星绝大部分物质是氢和氦,它们进行核聚变,就会产生更重的元素。”谢基伟说,“初代恒星完全由氢和氦组成,它寿终正寝时,会通过爆炸释放出体内所有的物质,包括聚变产生的金属元素,这些金属元素与其他星际物质共同孕育下一代恒星。因此,如果一颗恒星的金属丰度偏高,说明它是‘晚辈’。”
　　谢基伟告诉记者,此次研究产出的定量结果将用于优化以往的热木星迁移模型,还可用于预测一些恒星附近是否存在热木星。
穿越过去,看到未来
　　10月31日,谢基伟团队将上述研究成果以论文的形式发表在国际学术期刊《自然-天文学》上。这也是团队“行星的空间分布和年龄演化”研究计划近5年来发表的第7篇系列成果。
　　“行星的空间分布和年龄演化”英文缩写为PAST,直译为“过去”,但谢基伟重新起了一个中文简称——“穿越”。
　　“我们觉得‘过去’可能听起来有些消极的含义,实际上天文学研究的就是过去,几万甚至几十亿年前的光,跨过遥远的宇宙,触达我们的视网膜,让我们得以看到过去,这不就是‘穿越’吗。”谢基伟说。
　　近几年,团队依托中国郭守敬望远镜的大样本巡天优势,相继构建了包含数千颗系外行星的时空数据库,开展了各类行星系统的普查和统计研究,并在揭示热木星和极短周期行星演化规律方面取得了重要研究成果。
　　此次热木星定量研究的价值,也远不止绘制几张图表、发表一篇论文那么简单。在谢基伟看来,更深层的意义在于识人明己、鉴往知来。
　　尽管热木星与地球的性质相去甚远,但研究热木星是如何被恒星拉近、潮汐锁定,再一步步耗散、吞噬的,也能够推测太阳进入红巨星阶段以后,水星、金星、地球的命运。
　　谢基伟表示,团队计划将研究范围拓展到其他行星类型,通过分析恒星系统中的岩质行星如何形成、演化,不仅能“看到”地球的未来,还有助于寻找其他宜居行星。
　　就在10月31日当晚,神舟二十一号载人飞船发射升空。“我们现在还在使用欧洲航天局‘盖亚’空间探测器拍摄的数据,今年3月它已经退役了。不久的将来,我国也会发射我们中国人自己的空间望远镜,届时,我们将有更有力的工具去搜寻地球这样的系外行星,解开更多行星演化的奥秘。”谢基伟满怀期待。
　　　　　　　　　　据新华社