一個罕見的行星組合

熱類木星是一類質量很大、引力很強的行星。30多年前，天文學家發現了第一顆熱木星——51 Pegasi b，但至今我們仍不清楚這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繞宿主星運行的迷你海王星的大氣進行了觀測后發現，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，迷你海王星是質量小于海王星的行星。它們通常被認為是“氣態矮行星”——主體主要由氣體構成，內部則有一個巖質核心。迷你海王星是銀河系中最常見的一類行星。天文學家已經在各種各樣的行星系統中，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星（TESS），在距離地球約190光年的地方發現了一個罕見的系統：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的數據顯示，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？這是因為熱類木星的內側通常很少存在其他伴星。這也常被視為熱類木星曾經歷過劇烈遷移的一個跡象：在這種遷移過程中，原本位于內側軌道的行星會受到強引力的擾動，被拋離出行星系統。因此，包含一顆內側行星和一顆外側熱木星的多行星系統非常罕見：在擁有熱木星的系統中，只有約7%還擁有內側伴星。

一次精準的捕捉

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

大多數行星圍繞恒星運行的周期都很規律、可預測，就像時鐘的滴答一樣。但研究人員發現，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以往的觀測數據，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的分析結果。測量結果顯示：TOI-1130 b的大氣會吸收與水、二氧化碳、二氧化硫對應的特定波長；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，而氫和氦通常構成較輕的大氣。

這一結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，這些發現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物質的卵石狀顆粒。圖像的下半部分則表示該系統當前超過10億年的年齡階段：兩顆行星已經向恒星內側遷移，遠離了雪線。那些冰質顆粒中的物質已經蒸發，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域，行星可以逐漸形成由冰和其他揮發性物質（如二氧化碳和二氧化硫）構成的大氣。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側遷移；在這一過程中，兩顆行星始終保持較近的軌道關系，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側的行星的大氣。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