罕见系外行星极其奇特的轨道令天文学家大吃一惊

这幅艺术家的印象图展示了一颗即将成为热木星的类木行星--一颗运行轨道非常靠近其恒星的大型类木行星。利用美国国家科学基金会基特峰国家天文台的 WIYN 3.5 米望远镜（NSF NOIRLab 的一个项目），一个天文学家小组发现，这颗系外行星被命名为 TIC 241249530 b，它的轨道极度椭圆，与主恒星的自转方向相反。这些独特的轨道特征暗示了这颗行星的形成历史及其未来轨迹，使研究小组能够确定TIC 241249530 b最终将向内迁移到一个更紧密、更圆的轨道上。发现这颗迁移前的系外行星有助于深入了解热木星是如何形成并随时间演变的。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva (Spaceengine)

天文学家利用美国国家科学基金会基特峰国家天文台的 WIYN 3.5 米望远镜发现了一颗系外行星的极端轨道，这颗系外行星即将成为一颗热木星。在所有已知的凌日系外行星中，这颗系外行星的轨道不仅是伸展最剧烈的，而且还在反向绕着它的恒星运行，这让人们对热木星如何演化之谜有了更深入的了解。

目前，4000 多个恒星系统中共有 5600 多颗已确认的系外行星。在这些系外行星中，大约有 300-500 颗系外行星属于被称为热木星的奇特类别--大型、类似木星的系外行星，它们的轨道离恒星非常近，有些甚至像水星离太阳那么近。热木星如何最终进入如此近的轨道是一个谜，但天文学家推测，它们开始时的轨道远离恒星，然后随着时间的推移向内迁移。这一过程的早期阶段很少被观测到，但通过对一颗具有不寻常轨道的系外行星进行新的分析，天文学家离揭开热木星之谜又近了一步。

这颗系外行星被命名为 TIC 241249530 b，它的发现源于美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星（TESS）在 2020 年 1 月探测到的恒星亮度下降现象，该现象与一颗木星大小的行星从其前方经过或凌日相符。为了确认这些波动的性质并排除其他可能的原因，一个天文学家小组使用了美国国家科学基金会 NOIRLab 计划下的美国国家科学基金会基特峰国家天文台（KPNO）的 WIYN 3.5 米望远镜上的两台仪器。

研究小组首先利用美国国家航空航天局（NASA）资助的 NN-EXPLORE 系外行星和恒星斑点成像仪（NESSI），采用一种有助于"冻结"大气闪烁并消除可能混淆信号源的任何外来源的技术。然后，研究小组利用美国宇航局资助的 NEID 摄谱仪，通过仔细观察 TIC 241249530 b 的主恒星光谱或其发射光的波长如何因系外行星绕其运行而发生偏移，测量了它的径向速度。

这幅插图显示了新发现的类木星系外行星 TIC 241249530 b 的轨道，并与太阳系中水星和地球的轨道进行了对比。TIC 241249530 b 的轨道是目前已知的所有凌日系外行星中最长的轨道之一，它还反向围绕着它的宿主恒星运行，也就是说与恒星的自转方向相反。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

NOIRLab博士后研究员、发表在《自然》（Nature）上的论文的第一作者阿尔文德-古普塔（Arvind Gupta）称赞NESSI和NEID对研究小组描述和确认系外行星信号的工作至关重要。古普塔解释说："NESSI为我们提供了比其他方法更清晰的恒星视角，NEID精确测量了恒星的光谱，以探测系外行星轨道的变化。古普塔特别指出，近地天体物理探测仪的观测调度框架具有独特的灵活性，可以根据新数据迅速调整团队的观测计划。"

美国国家科学基金会 NOIRLab 项目主任 Chris Davis 说："WIYN 望远镜在帮助我们理解为什么在其他太阳系中发现的行星会因系而异方面发挥着至关重要的作用。NSF与NASA在NN-EXPLORE计划上的合作继续在系外行星研究方面取得令人瞩目的成果。"

该动画显示了新发现的类木星系外行星TIC 241249530 b的轨道，并与太阳系中水星和地球的轨道进行了对比。TIC 241249530 b 的轨道是目前已知的所有凌日系外行星中最长的轨道之一，它还反向围绕着它的主恒星运行，也就是说与恒星的自转方向相反。如果这颗行星是太阳系的一部分，那么它的轨道将从比水星更接近太阳十倍的最近距离一直延伸到与地球距离最远的地方。这种极端的轨道会导致这颗行星上的温度在夏日和足以融化钛的高温之间变化。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/R. Proctor

对光谱的详细分析证实，这颗系外行星的质量大约是木星的五倍。光谱还显示，这颗系外行星正沿着一条极其偏心或拉伸的轨道运行。行星轨道的偏心率是按照 0 到 1 的比例来测量的，0 代表完全圆形轨道，1 代表高度椭圆形轨道。这颗系外行星的轨道偏心率为 0.94，比通过凌日法发现的任何其他系外行星的轨道都要偏心[1]。相比之下，冥王星围绕太阳的高椭圆轨道的偏心率为 0.25；地球的偏心率为 0.02。

如果这颗行星是我们太阳系的一部分，那么它的轨道将从比水星更靠近太阳十倍的最近点一直延伸到地球距离的最远点。这种极端的轨道会使这颗行星上的温度在夏日和足以融化钛的高温之间变化。

位于美国国家科学基金会基特峰国家天文台的 WIYN 3.5 米望远镜内部，该天文台是美国国家科学基金会 NOIRLab 计划的一部分。这台望远镜安装了 NEID 仪器，这是一台最先进的系外行星发现机器。图片来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/J.Pollard

为了增加系外行星轨道的不寻常性，研究小组还发现它的轨道是反向的，也就是说与主恒星的旋转方向相反。天文学家在大多数其他系外行星和太阳系中都没有发现这种现象，这有助于研究小组解读系外行星的形成历史。

系外行星独特的轨道特征也暗示了它未来的轨迹。预计它最初的高度偏心轨道和与主恒星的极度接近将使这颗行星的轨道"环形化"，因为行星上的潮汐力会消耗轨道的能量，使其逐渐缩小并环形化。在这种迁移发生之前发现这颗系外行星是非常有价值的，因为这有助于我们深入了解热木星是如何形成、稳定和随时间演变的。

古普塔说："虽然我们不能完全按下倒带键实时观看行星的迁移过程，但这颗系外行星可以作为迁移过程的某种快照。像这样的行星非常罕见，也很难找到，我们希望它能帮助我们揭开热木星形成的故事。"

WIYN 3.5 米望远镜，位于美国国家科学基金会基特峰国家天文台，是美国国家科学基金会 NOIRLab 的一个项目。资料来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学教授杰森-赖特（Jason Wright）说："我们对这颗行星在灼热地接近恒星后大气层的动态变化特别感兴趣。像NASA的詹姆斯-韦伯太空望远镜这样的望远镜具有很高的灵敏度，可以探测这颗新发现系外行星在快速加热过程中大气层的变化，因此研究小组对这颗系外行星的了解还有很多。"

TIC 241249530 b是迄今发现的第二颗显示热木星迁移前阶段的系外行星。这两个例子共同从观测角度证实了一个观点，即质量较高的气态巨行星在从高度偏心的轨道向更紧密、更圆的轨道迁移的过程中，会进化成为热木星。

古普塔说："二十多年来，天文学家一直在寻找可能是热木星前身的系外行星，或者是迁移过程的中间产物。这正是我所希望发现的。"

编译自/scitechdaily