1995年10月，人類首次在一顆類似太陽的恒星周邊發(fā)現(xiàn)了行星“飛馬座51b”，開啟了系外行星研究的序章。
但稍微研究飛馬座51b的性質(zhì)和軌道以后，不少天文學(xué)家就驚訝地發(fā)現(xiàn)：
“它不應(yīng)該在那里。”
突破傳統(tǒng)行星理論的熱木星
和木星類似，飛馬座51b是一顆氣態(tài)巨行星，但它的軌道離宿主恒星太近了。
有多近？地球到太陽距離的二十分之一。
離太陽最近的行星是水星，上面根本沒有水，白天時(shí)是一片極端炎熱的世界，飛馬座51b離其宿主恒星比水星離太陽還要近得多。
“這是一個(gè)與直覺相悖的發(fā)現(xiàn)。飛馬座51b超越了傳統(tǒng)行星形成和演化理論。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院謝基偉教授介紹，人類認(rèn)識行星，就是從研究太陽系的八大行星開始的。內(nèi)太陽系有水星、金星、地球和火星，它們體積和質(zhì)量較小，屬于巖質(zhì)行星，也稱類地行星。外太陽系則分布著木星、土星、天王星、海王星這四顆氣態(tài)巨行星和冰巨星。
為什么太陽系呈現(xiàn)出這種“內(nèi)小外大”的構(gòu)型？經(jīng)典的行星形成理論提出了“雪線”的概念。
正如地球上的高峰都有一道鮮明的“雪線”，在雪線以下，降雪就難以形成積雪。太陽系的雪線大致在火星和木星之間，即小行星帶的位置。在雪線以外，水汽凝結(jié)成冰，能夠更快地形成足夠大的固態(tài)核心，并不斷加速吸附氣體等物質(zhì)，最終形成巨行星。而雪線以內(nèi)受恒星活動(dòng)影響更大，不僅難以形成較大的固態(tài)核心，可供吸附的物質(zhì)也較少。
環(huán)境如此惡劣，飛馬座51b何以安居恒星的“臥榻之側(cè)”？
就好比大火爐的旁邊怎么可能放得住一個(gè)大雪球呢，分分鐘就融化了。
為了解決種種矛盾和謎題，一個(gè)全新的行星類型——熱木星，被劃分出來。
謝基偉說，熱木星的發(fā)現(xiàn)堪稱天文學(xué)上的里程碑。它為人類打開了一扇新世界的大門，拓展了人類對行星的認(rèn)知邊界，飛馬座51b的兩位發(fā)現(xiàn)者也于2019年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
截至目前，人類已發(fā)現(xiàn)6000多顆系外行星，其中有數(shù)百顆是熱木星。盡管前人已經(jīng)對熱木星做過不少研究，但它們到底如何形成、如何演化，仍有不少問題留待解答。
這是熱木星與其宿主恒星的藝術(shù)想象圖。（南京大學(xué)供圖）
熱木星也“三遷”
為什么熱木星會出現(xiàn)在它本不該出現(xiàn)的位置，目前天文學(xué)界的主流觀點(diǎn)仍傾向于在傳統(tǒng)理論的基礎(chǔ)上“打補(bǔ)丁”，也就是認(rèn)為熱木星還是在遠(yuǎn)離恒星的寒冷地帶形成的，只不過在某種機(jī)制作用下遷移到了離恒星極近的軌道。
但具體是什么機(jī)制，天文學(xué)界莫衷一是，大致有三種模型。
首先是“盤遷移模型”，認(rèn)為氣態(tài)巨行星形成后，與原行星盤相互作用，在此過程中，行星消耗了自身的能量，被拉向恒星，根據(jù)該模型的測算，實(shí)現(xiàn)軌道遷移只需幾百萬年。
其次叫“散射遷移模型”，認(rèn)為原行星盤消散后，各大行星近距離交匯，猶如一場大型交通事故，導(dǎo)致一些行星被“排擠”到恒星附近，形成熱木星。理論上，這種遷移的速度比盤遷移慢，但基本可以在1億年內(nèi)完成。
此外還有“長期混沌”等機(jī)制，軌道內(nèi)遷用時(shí)更漫長，可能需要上億乃至數(shù)十億年。
原來熱木星也有“三遷”。謝基偉所領(lǐng)導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)，目標(biāo)就是想精確地測算出這幾種遷移機(jī)制分別貢獻(xiàn)了多少熱木星。
如何下手呢？謝基偉在熱木星與宿主恒星的年齡上找到了突破口。
由于離宿主恒星太近，熱木星都處于“潮汐鎖定”的狀態(tài)。月球就被地球潮汐鎖定，永遠(yuǎn)以同一面對著地球，熱木星也是如此。在潮汐耗散作用下，熱木星逐漸失去軌道角動(dòng)量，不斷向恒星跌落，最終被恒星撕裂、吞噬。
因此，年齡越大的恒星系，出現(xiàn)熱木星的概率應(yīng)該越低。
2023年，謝基偉團(tuán)隊(duì)小試牛刀，根據(jù)74顆熱木星的觀測數(shù)據(jù)，首次發(fā)現(xiàn)熱木星的出現(xiàn)率確實(shí)隨著恒星系的年齡增長而下降。
雖然這只是一個(gè)定性的結(jié)論，卻解決了困擾研究人員20多年的問題——1999年，哈勃望遠(yuǎn)鏡曾對準(zhǔn)球狀星團(tuán)，試圖以其強(qiáng)大的光學(xué)成像能力探測到熱木星，結(jié)果卻一無所獲。現(xiàn)在回頭看原因很簡單，當(dāng)時(shí)的研究人員忽視了年齡這個(gè)要素。球狀星團(tuán)雖然是一片稠密星區(qū)，但其中不少恒星已經(jīng)上百億歲，即便曾經(jīng)存在熱木星，絕大多數(shù)也會因?yàn)槌毕饔枚螞]在恒星的輝光中。
這一次，謝基偉團(tuán)隊(duì)利用中國郭守敬望遠(yuǎn)鏡和歐洲航天局“蓋亞”空間探測器等國內(nèi)外天文設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)，將樣本擴(kuò)大到123顆熱木星，得出了更加精確的定量分析結(jié)論。
結(jié)果顯示，隨著恒星年齡增長，熱木星的出現(xiàn)率并非一成不變地勻速下降，而是“分段衰減、前慢后快”，以20億年為拐點(diǎn)，在此之前減少得慢，后期減少得快。
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，熱木星分為“早來族”和“晚來族”，而且“早的很早，晚的很晚”。前者約占六成，在宿主恒星形成的最初幾千萬年內(nèi)便已“內(nèi)遷”；剩下約四成“晚來族”，則是在接下來上億乃至數(shù)十億年的漫長歲月里，與其他天體長期相互作用，通過“長期混沌”機(jī)制偶然被輸送到恒星附近的。
研究團(tuán)隊(duì)還對比了兩大族群的“身份特征”，發(fā)現(xiàn)“晚來族”更喜歡出現(xiàn)在金屬元素豐富的恒星周圍，且其軌道面與恒星自轉(zhuǎn)軸存在顯著夾角。這些特征完美印證了“長期混沌”機(jī)制的理論假設(shè)，強(qiáng)有力地證明該機(jī)制正是“晚來族”的主要來源。
“天文學(xué)上將所有比氫和氦重的元素統(tǒng)稱為金屬。我們知道恒星絕大部分物質(zhì)是氫和氦，它們進(jìn)行核聚變，就會產(chǎn)生更重的元素。”謝基偉說，“初代恒星完全由氫和氦組成，它壽終正寢時(shí)，會通過爆炸釋放出體內(nèi)所有的物質(zhì)，包括聚變產(chǎn)生的金屬元素，這些金屬元素與其他星際物質(zhì)共同孕育下一代恒星。因此，如果一顆恒星的金屬豐度偏高，說明它是‘晚輩’。”
謝基偉告訴記者，此次研究產(chǎn)出的定量結(jié)果將用于優(yōu)化以往的熱木星遷移模型，還可用于預(yù)測一些恒星附近是否存在熱木星。
穿越過去，看到未來
10月31日，謝基偉團(tuán)隊(duì)將上述研究成果以論文的形式發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然-天文學(xué)》上。這也是團(tuán)隊(duì)“行星的空間分布和年齡演化”研究計(jì)劃近5年來發(fā)表的第7篇系列成果。
“行星的空間分布和年齡演化”英文縮寫為PAST，直譯為“過去”，但謝基偉重新起了一個(gè)中文簡稱——“穿越”。
“我們覺得‘過去’可能聽起來有些消極的含義，實(shí)際上天文學(xué)研究的就是過去，幾萬甚至幾十億年前的光，跨過遙遠(yuǎn)的宇宙，觸達(dá)我們的視網(wǎng)膜，讓我們得以看到過去，這不就是‘穿越’嗎。”謝基偉說。
近幾年，團(tuán)隊(duì)依托中國郭守敬望遠(yuǎn)鏡的大樣本巡天優(yōu)勢，相繼構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時(shí)空數(shù)據(jù)庫，開展了各類行星系統(tǒng)的普查和統(tǒng)計(jì)研究，并在揭示熱木星和極短周期行星演化規(guī)律方面取得了重要研究成果。
此次熱木星定量研究的價(jià)值，也遠(yuǎn)不止繪制幾張圖表、發(fā)表一篇論文那么簡單。在謝基偉看來，更深層的意義在于識人明己、鑒往知來。
盡管熱木星與地球的性質(zhì)相去甚遠(yuǎn)，但研究熱木星是如何被恒星拉近、潮汐鎖定，再一步步耗散、吞噬的，也能夠推測太陽進(jìn)入紅巨星階段以后，水星、金星、地球的命運(yùn)。
謝基偉表示，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將研究范圍拓展到其他行星類型，通過分析恒星系統(tǒng)中的巖質(zhì)行星如何形成、演化，不僅能“看到”地球的未來，還有助于尋找其他宜居行星。
就在10月31日當(dāng)晚，神舟二十一號載人飛船發(fā)射升空。“我們現(xiàn)在還在使用歐洲航天局‘蓋亞’空間探測器拍攝的數(shù)據(jù)，今年3月它已經(jīng)退役了。不久的將來，我國也會發(fā)射我們中國人自己的空間望遠(yuǎn)鏡，屆時(shí)，我們將有更有力的工具去搜尋地球這樣的系外行星，解開更多行星演化的奧秘。”謝基偉滿懷期待。（記者 陳席元）
責(zé)任編輯：王振華
