天文学家发现一颗“高度偏心”的行星即将变成一颗热木星

Josiah01

　　热木星是银河系中最极端的行星之一。这些灼热的行星与木星一样巨大，它们疯狂地靠近恒星，旋转一周只需几天，而我们自己的气态巨行星则悠闲地围绕太阳公转 4,000 天。
　　然而，科学家怀疑热木星并不总是如此热，事实上它们可能在更寒冷、更遥远的环境中形成为“冷木星”。但它们如何演变成天文学家今天观察到的环绕恒星的气态巨星仍是一个未知数。
　　现在，麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学等地的天文学家发现了一颗热木星的“祖先”——一种正在变成热木星的幼年行星。它的轨道为热木星的演化提供了一些答案。研究结果发表在《自然》杂志上。
　　合著者包括麻省理工学院本科生 Haedam Im、宾夕法尼亚州立大学和 NSF NOIRLab 的主要作者 Arvind Gupta，以及其他多所大学、机构和天文台的合作者。
　　这颗新行星被天文学家命名为 TIC 241249530 b，绕着一颗距离地球约 1,100 光年的恒星运行。这颗行星绕恒星运行的轨道非常“偏心”，也就是说，它会先非常接近恒星，然后飞向很远的地方，然后再折返，整个过程呈椭圆形。
　　如果这颗行星是太阳系的一部分，它与太阳的距离会比与水星的距离近十倍，然后飞速飞出，刚好经过地球，然后再绕回来。根据科学家的估计，这颗行星的轨道是迄今为止探测到的所有行星中偏心率最高的。
　　这颗新行星的轨道也因其“逆行”方向而独一无二。与地球和太阳系中其他行星的轨道与太阳自转方向相同不同，这颗新行星的运行方向与其恒星自转方向相反。
　　研究小组对轨道动力学进行了模拟，发现该行星的高度偏心和逆行轨道表明它可能正在通过“高偏心率迁移”演变成一颗热木星——在这一过程中，行星的轨道在与更宽轨道上的另一颗恒星或行星相互作用时发生摆动并逐渐收缩。
　　就 TIC 241249530 b 而言，研究人员确定这颗行星围绕一颗主恒星运行，而这颗主恒星本身又围绕一颗次恒星运行，属于恒星双星系统的一部分。行星和其恒星轨道之间的相互作用导致行星随着时间的推移逐渐向其恒星靠拢。
　　该行星的轨道目前呈椭圆形，绕恒星一周大约需要 167 天。研究人员预测，10 亿年后，该行星将迁移到更紧密的圆形轨道，届时它将每隔几天绕恒星一周。到那时，该行星将完全演变成一颗热木星。
　　麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所物理学助理教授莎拉·米尔霍兰德 (Sarah Millholland) 表示：“这颗新行星支持了高偏心率迁移应能解释部分热木星的理论。”
　　“我们认为，当这颗行星形成时，它应该是一个寒冷的世界。由于剧烈的轨道动力学，它将在大约 10 亿年后变成一颗热木星，温度将达到几千开尔文。所以这与它的起源相比是一个巨大的转变。”
　　“激进的季节”
　　这颗新行星首次被发现是在美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 拍摄的数据中。TESS 是一项由麻省理工学院牵头的任务，旨在监测附近恒星的亮度以发现“凌日”现象，即星光的短暂下降，这可能表明有行星从恒星前方经过并暂时遮挡恒星光线。
　　2020 年 1 月 12 日，TESS 探测到恒星 TIC 241249530 可能凌日。宾夕法尼亚州立大学的古普塔和他的同事确定，这次凌日与一颗木星大小的行星从恒星前方经过相符。然后，他们从其他天文台获取了该恒星径向速度的测量值，该速度可估计恒星的摆动，即其来回移动的程度，以响应可能对恒星产生引力的其他附近物体。
　　这些测量证实，一颗木星大小的行星正在绕恒星运行，其轨道非常偏心，使得行星在将恒星抛出很远之前，先非常靠近恒星。
　　在这次发现之前，天文学家只知道另一颗行星，即 HD 80606 b，它被认为是一颗早期的热木星。这颗行星于 2001 年被发现，至今仍保持着偏心率最高的记录。
　　“这颗新行星在其整个轨道上都会经历非常剧烈的星光变化，”米尔霍兰德说。“每次它经过恒星附近时，一定都会经历非常剧烈的季节变化和绝对灼热的大气层。”
　　“轨道之舞”
　　一颗行星怎么会落入如此极端的轨道？它的偏心率又会如何随时间演变？为了寻找答案，伊姆和米尔霍兰德对行星轨道动力学进行了模拟，以模拟行星在其整个历史过程中可能如何演变以及在未来数亿年中可能如何演变。
　　该团队模拟了行星、其恒星和附近第二颗恒星之间的引力相互作用。古普塔和他的同事观察到，两颗恒星在双星系统中相互绕行，而行星同时绕着较近的恒星运行。两个轨道的结构有点像马戏团演员在腰部旋转呼啦圈，同时在手腕上旋转第二个呼啦圈。
　　Millholland 和 Im 进行了多次模拟，每次模拟都采用不同的起始条件，以查看哪种条件在未来数十亿年内运行会产生 Gupta 团队目前观察到的行星和恒星轨道结构。然后，他们运行了更远的未来的最佳匹配，以预测该系统在未来数十亿年内将如何演变。
　　这些模拟显示，这颗新行星很可能正在演变成一颗热木星：几十亿年前，这颗行星形成时是一颗冷木星，远离其恒星，处于一个足够冷的区域，足以凝结并成形。刚形成时，这颗行星可能以圆形轨道绕恒星运行。然而，由于受到恒星与其第二颗双星轨道不对齐的引力，这一常规轨道逐渐拉长并变得偏心。
　　“这是一个相当极端的过程，因为行星轨道的变化是巨大的，”米尔霍兰德说。“这是数十亿年来轨道的一次大舞蹈，行星只是顺其自然地前行。”
　　模拟显示，再过十亿年，这颗行星的轨道将稳定地围绕其恒星运行，形成近距离圆形轨道。
　　“然后，这颗行星将完全变成一颗热木星，”米尔霍兰德说。
　　研究小组的观测以及对该行星演化的模拟支持了这样一种理论：热木星可以通过高偏心率迁移形成，在这一过程中，行星通过随着时间的推移其轨道的极端变化而逐渐移动到位。
　　米尔霍兰德指出：“不仅从这一点，而且从其他统计研究也可以看出，高偏心率迁移应该可以解释部分热木星。”
　　“这个系统凸显了系外行星的多样性。它们是神秘的外星世界，拥有狂野的轨道，讲述了它们如何到达那里以及它们将去往何处的故事。对于这颗行星来说，它的旅程尚未结束。”