一個罕見的行星組合

熱類木星是一類質(zhì)量很大、引力很強的行星。30多年前，天文學家發(fā)現(xiàn)了第一顆熱木星——51 Pegasi b，但至今我們?nèi)圆磺宄@一類行星的形成歷史。已有研究提出，可以利用行星大氣的化學組成，來推斷熱木星的形成位置。

在一項新發(fā)表于《天體物理學雜志通訊》的研究中，一個天文學家團隊利用韋布空間望遠鏡（JWST）在對一顆與熱木星共同環(huán)繞宿主星運行的迷你海王星的大氣進行了觀測后發(fā)現(xiàn)，這兩顆行星形成的位置可能都出人意料地遠離其宿主星。

一個罕見的行星組合

顧名思義，迷你海王星是質(zhì)量小于海王星的行星。它們通常被認為是“氣態(tài)矮行星”——主體主要由氣體構(gòu)成，內(nèi)部則有一個巖質(zhì)核心。迷你海王星是銀河系中最常見的一類行星。天文學家已經(jīng)在各種各樣的行星系統(tǒng)中，觀測到許多圍繞不同恒星運行的迷你海王星。

2020年，天文學家利用凌星系外行星巡天衛(wèi)星（TESS），在距離地球約190光年的地方發(fā)現(xiàn)了一個罕見的系統(tǒng)：一顆迷你海王星TOI-1130 b與一顆熱類木星TOI-1130 c共同圍繞宿主星TOI-1130運行。TESS的數(shù)據(jù)顯示，距離TOI-1130更近的是迷你海王星TOI-1130 b，它大約每4天繞恒星運行一周。更外側(cè)的是熱類木星TOI-1130 c，它大約每8天繞恒星運行一周。

為什么說這是一個罕見的系統(tǒng)？這是因為熱類木星的內(nèi)側(cè)通常很少存在其他伴星。這也常被視為熱類木星曾經(jīng)歷過劇烈遷移的一個跡象：在這種遷移過程中，原本位于內(nèi)側(cè)軌道的行星會受到強引力的擾動，被拋離出行星系統(tǒng)。因此，包含一顆內(nèi)側(cè)行星和一顆外側(cè)熱木星的多行星系統(tǒng)非常罕見：在擁有熱木星的系統(tǒng)中，只有約7%還擁有內(nèi)側(cè)伴星。

一次精準的捕捉

研究人員決定用JWST對這個系統(tǒng)進行更細致的觀測，尤其是觀測這兩顆行星的大氣。但他們面臨的第一個挑戰(zhàn)，就是必須在恰到好處的時間捕捉到這兩顆行星。

大多數(shù)行星圍繞恒星運行的周期都很規(guī)律、可預測，就像時鐘的滴答一樣。但研究人員發(fā)現(xiàn)，TOI-1130 b和TOI-1130 c處于“平運動共振”之中。這意味著它們會彼此影響對方的運動，相互牽引，從而使各自繞恒星運行一周所需的時間發(fā)生輕微變化。

這讓研究人員很難預測JWST何時才能獲得清晰的觀測機會。他們只能盡可能地收集這個系統(tǒng)以往的觀測數(shù)據(jù)，并建立了一個模型，用來預測每顆行星會在什么時候以JWST能夠觀測到的角度從恒星前方經(jīng)過。

大氣里的線索

在天文觀測中，通過觀察一顆行星會吸收哪些特定波長的光，就可以獲悉許多關(guān)于其大氣組成的信息。JWST的出色之處在于，它不只能在一種波長下進行觀測，還可以觀測不同波長的光。

最終，研究團隊成功利用JWST對這兩顆行星進行了直接而細致的觀測。在新的研究中，研究人員報告了對TOI-1130 b的分析結(jié)果。測量結(jié)果顯示：TOI-1130 b的大氣會吸收與水、二氧化碳、二氧化硫?qū)?yīng)的特定波長；此外，它還在較弱程度上顯示出甲烷的信號。這些分子的分子量都高于氫和氦，而氫和氦通常構(gòu)成較輕的大氣。

這一結(jié)果出乎研究人員的意料，因為如果TOI-1130 b是在如今這樣非常靠近恒星的位置形成的，它不太可能獲得如此“重”的大氣。因此，研究人員認為，解釋這種大氣組成的唯一可能方式是：這顆行星形成于比當前位置遠得多的地方。

來自雪線之外

研究人員認為，這些發(fā)現(xiàn)指向了另一種起源故事：這顆迷你海王星TOI-1130 b，甚至包括它的熱類木星伴星TOI-1130 c，都可能形成于恒星雪線之外的寒冷區(qū)域。所謂雪線，就是距離恒星足夠遠、溫度低到水能夠迅速凝結(jié)成冰的邊界。

圖像的上半部分顯示了，在很久以前、約1000萬年的形成階段，迷你海王星（TOI-1130 b）和熱類木星（TOI-1130 c）形成于其恒星的“雪線”附近。迷你海王星周圍的藍色圓圈代表富含冰質(zhì)物質(zhì)的卵石狀顆粒。圖像的下半部分則表示該系統(tǒng)當前超過10億年的年齡階段：兩顆行星已經(jīng)向恒星內(nèi)側(cè)遷移，遠離了雪線。那些冰質(zhì)顆粒中的物質(zhì)已經(jīng)蒸發(fā)，在TOI-1130 b的大氣中形成了水、二氧化碳等分子。（圖/Kamalika Chakraborty）

在那里，也就是雪線之外的寒冷區(qū)域，行星可以逐漸形成由冰和其他揮發(fā)性物質(zhì)（如二氧化碳和二氧化硫）構(gòu)成的大氣。隨著時間推移，它們很可能在一個緩慢而漸進的過程中向恒星內(nèi)側(cè)遷移；在這一過程中，兩顆行星始終保持較近的軌道關(guān)系，同時也保留了各自的大氣。

這是天文學家首次觀測到一顆位于熱類木星內(nèi)側(cè)的行星的大氣。他們的觀測也首次顯示，迷你海王星也可以誕生在恒星的“雪線”之外。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/astronomers-pin-down-origins-planetary-odd-couple-0505

https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae5f8b

https://science.nasa.gov/resource/hot-jupiter/

#圖片來源：

封面圖&首圖：Jose-Luis Olivares, MIT