1995年，首顆熱木星飛馬座51b的發現不僅是天文學里程碑式的發現，還開啟了系外行星研究新篇章。
近日，科研團隊基于我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）和歐洲蓋亞（Gaia）望遠鏡等觀測數據，發現熱木星出現率隨年齡呈現出分段衰減的規律。相關研究成果10月31日發表于《自然-天文學》。
論文通訊作者、南京大學教授謝基偉告訴《中國科學報》，這是“行星的空間分布和年齡演化”系列研究計劃的重要突破，也是該系列成果的第7篇論文。
他介紹，“行星的空間分布和年齡演化”系列研究計劃旨在建立行星系統的“時空演化圖譜”，揭示驅動各種行星族群形成和演化的內在機制，以及其與銀河系形成演化的深層關聯。
目前，該計劃依托LAMOST等樣本數據，構建了包含數千顆系外行星的時空數據庫，開展了各種族群行星系統的普查和統計研究, 并在揭示熱木星和極短周期行星的演化規律方面已取得了重要研究成果。
令人震驚的發現
行星的探測與研究可以從太陽系的八大行星說起。
太陽系內部分布著四顆較小的類地行星，按距離太陽由近及遠依次為水星、金星、地球和火星；太陽系外部則分布著四顆體積更大的氣態巨行星和一顆冰巨行星，按距離太陽由近及遠依次為木星、土星、天王星、海王星和冥王星。
為什么太陽系會呈現出這種“內小外大”的構型呢？謝基偉解釋道，這跟太陽系的“雪線”相關。在經典的行星形成理論中，“雪線”是太陽系中天體形成的一條重要分界線，大概在火星和木星之間，即小行星帶區域。
該理論認為，在“雪線”之外，水汽會凝結成冰，使固體物質的含量顯著增加，從而能夠更快地形成足夠大的固體核心，并進一步吸積大量氣體，誕生出巨行星；而在“雪線”之內，固體物質較少，難以形成巨行星。
1995年，兩位科學家在位于水星軌道之內發現一顆巨行星——飛馬座51b，這是在類太陽恒星飛馬座51周圍首次發現的行星，向經典的行星形成理論發起了挑戰。
這是一個令人震驚的發現，不僅揭示了一類全新的系外行星族群：熱木星，兩位發現者也因此獲得2019年諾貝爾物理學獎。
謝基偉介紹，熱木星的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，因此表面溫度高達上千攝氏度，被形象地稱為“熱木星”。
過去30年來，天文學家已發現數百顆熱木星，并進行了大量研究，但它們的形成機制與演化依然是一個既令人困惑又極具吸引力的謎題。
過往研究的缺陷
目前的主流理論認為，熱木星最早形成于距離中心恒星較遠的“雪線”以外，然后通過某種機制遷移到當前離主星很近的位置。
至于如何遷移，天文學家曾提出多種機制。
一種是盤遷移模型，行星與原行星盤的相互作用下在數百萬年內向內遷移。一種是散射遷移模型，原行星盤消散后，行星之間軌道發生近距離交會，有的行星被向內散射，形成熱木星。“這個過程比盤遷移更遲更慢，但絕大部分可以在1億年內完成。”謝基偉說。
還有一種是“長期混沌”機制，因為多顆行星在相互引力長期作用下的演化是“混沌”的，一些行星會在軌道近星點附近被恒星引起的潮汐效應“俘獲”，從而形成熱木星。“該過程往往需要經歷數千萬年至數十億年。”謝基偉補充道。
到底哪種機制在熱木星的形成中起主導作用？不同機制各自貢獻了多少比例？這些關鍵問題仍是當前研究的焦點難題。
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，會受到持續的潮汐耗散作用而向恒星不斷靠近。經過足夠長的時間，一些熱木星甚至可能進入恒星大氣，被瓦解吞噬。
因此，熱木星為研究恒星潮汐相互作用等提供了理想的“天然實驗室”。
前人的研究往往通過對單個熱木星的長期監測，以及熱木星群體性質的統計分析，探討其潮汐演化過程。謝基偉指出：“這些研究不僅缺乏具有代表性的大樣本觀測結果，并且預期可觀測的處在軌道衰減的熱木星數量與觀測不符。”
先慢后快的衰減
熱木星的出現率隨時間的演化規律，成為揭示其形成機制和潮汐演化的關鍵突破口。
2023年，謝基偉帶領團隊根據74顆熱木星的觀測樣本數據，首次發現并證實熱木星的出現率隨恒星年齡增長而下降。這一發現也解釋了1999年哈勃望遠鏡為何在球狀星團中未探測到熱木星。
“這些球狀星團中的恒星年齡普遍超過百億年，即便曾存在熱木星，也早被恒星潮汐力撕裂吞噬。”謝基偉說。
最新的研究是在2023年成果的基礎上，實現了從定性到定量、從揭示觀測規律到約束理論模型的兩方面深化。
研究團隊首先利用LAMOST和Gaia的觀測數據，分析了123顆熱木星的出現率隨恒星年齡的演化規律。結果顯示，熱木星的出現率不是簡單均勻地隨年齡下降，而是呈現出明顯的分段衰減特征。
謝基偉指出：“熱木星的出現率隨恒星年齡增大的下降在前期較緩，而在后期速度顯著加快，拐點大約在恒星年齡20億年。”
為什么會出現這樣的情況？研究揭示，這一分段衰減規律源于熱木星由“早到族”和“晚到族”兩類族群共同構成。約60%的熱木星是“早到族”，它們在恒星形成后數千萬年內遷移至恒星附近；約40%的熱木星是“晚到族”，它們在恒星形成后數千萬年至數十億年間逐步遷移至恒星附近。
“兩類族群共同塑造了熱木星整體出現率的演化特征，呈現出先慢后快的分段衰減模式。”謝基偉說。
兩個族群的軌道構型示意圖 受訪者供圖
研究還發現，“晚到族”更傾向于出現在富金屬恒星的多行星系統中，其行星公轉軌道與恒星自轉軌道存在明顯傾角。謝基偉解釋，恒星中的金屬元素主要來自上一代恒星爆炸后的殘余物質，因此金屬豐度高的恒星通常形成較晚，也比較年輕。“晚到族”的特征與“長期混沌”機制的理論預期一致。
團隊的研究不僅優化了遷移模型，還為預測恒星周圍熱木星的存在提供了理論依據，有助于推測太陽進入紅巨星階段后，水星、金星與地球的潛在命運。
謝基偉透露，未來研究團隊將進一步拓展至其他行星族群的形成與起源研究，旨在構建系外行星多類型形成演化的統一圖景，從而為解答“地球與太陽系在宇宙中是否特殊？”這一命題提供科學依據。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-025-02693-6
本文鏈接：從寒到暖，熱木星為何要“搬家”越過“雪線”http://m.sq15.cn/show-11-28025-0.html
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