一颗恒星的微小摆动揭示了一颗本不该存在的巨大行星

艺术家的插图。 盖亚用天体测量法探测到了这颗候选系外行星，命名为盖亚-4b。 现在，后续的光谱分析证实了它的存在。 它的质量大约是木星的12倍，围绕着被称为盖亚-4的恒星运行，距离约244光年。 图片来源：ESA/Gaia/DPAC/M. 马库森

欧洲航天局的"盖亚"（Gaia）任务以超乎寻常的精度绘制了恒星的位置和运动图，对大约10亿颗恒星进行了多次观测。 这项工作绘制了一幅巨大的银河三维地图，它将推动未来数年的天文发现。 盖亚的工作基于天体测量学，即对天体位置和运动的精确测量。

虽然盖亚的设计目的是研究恒星，但它也探测到了潜在的系外行星。 现在，利用径向速度技术进行的后续观测确认了其中一颗行星。 这一发现尤其引人关注，因为这颗行星是系外行星科学中的一个异类--它的特征挑战了现有的行星形成模型。

它探测到的行星质量很大，围绕低质量恒星运行。 这些行星对恒星产生微小的引力牵引，导致恒星轻微摆动--盖亚可以测量到这种运动。 然而，要确认这些探测结果，还需要进行更多的观测。

天文学家利用基特峰国家天文台（KPNO）WIYN 3.5 米望远镜上的 NEID 摄谱仪确认了一颗系外行星和一颗褐矮星的存在，这是欧空局的盖亚（Gaia）航天器首次探测到的。 资料来源：KPNO/NOIRLab/NSF/AURA/T. Matsopoulos

为了验证盖亚的发现，研究人员使用了美国国家科学基金会基特峰国家天文台 WIYN 3.5 米望远镜上的 NEID 摄谱仪。 通过分析这些恒星摆动引起的径向速度偏移，他们确认了一颗大质量系外行星和一颗褐矮星的存在。 他们的研究结果发表在《天文学报》上，在题为"盖亚-4b和5b"的研究中作了详细介绍： 盖亚天体测量轨道解决方案的径向速度确认揭示了一颗大质量行星和一颗褐矮星围绕低质量恒星运行"。 这项研究由阿姆斯特丹大学安东-潘内科克天文学研究所的古德蒙杜尔-斯特凡松（Gudmundur Stefansson）领导。

盖亚-4b围绕着盖亚-4号恒星运行，盖亚-4号恒星距离地球约244光年。 它的质量大约是木星的 12 倍，轨道周期为 570 天。 它是一颗相对寒冷的气体巨行星。 这幅艺术家印象图展示了盖亚天体测量数据确定的部分轨道运动。 恒星和行星未按比例绘制。 资料来源：ESA/Gaia/DPAC/M. 马库森

最新发布的盖亚数据包含了盖亚天体测量兴趣点（Gaia-ASOIs）列表。 这些恒星似乎受到系外行星的影响而运动。

主要作者斯特凡松说："然而，这些恒星的运动并不一定是由于行星的影响。 相反，'恒星'可能是一对太靠近的恒星，盖亚无法将它们识别为独立的天体。 看似行星造成的微小位置偏移，实际上可能是两颗恒星的较大位置偏移几乎完全抵消的结果。"

后续的光谱分析可以做到盖亚做不到的事情，确定这些天体是双星还是恒星及其轨道上的行星。 研究人员使用 NEID 摄谱仪和另外两台摄谱仪--宜居带行星探测器和FIES摄谱仪进行了跟踪观测。 在径向速度方面，摄谱仪测量的是恒星的蓝移和红移光线，因为附近的行星会拉扯恒星并使其摆动。 要做到这一点需要极高的精度，而这三种摄谱仪都能做到。

研究人员研究了盖亚探测到候选系外行星的28个独立恒星系统。结果显示，其中 21 个系统没有亚恒星伴星。 相反，这 21 个系统是双星系统。 另外五个还没有定论，需要更多的观测和数据才能证实或反驳。

不过，21颗中有两颗得到了证实：一颗是系外行星，现在被命名为盖亚-4b；一颗是褐矮星，被命名为盖亚-5b。

盖亚-4b：系外行星中的巨无霸

盖亚-4b是一颗大质量的系外行星，大约有11.8木星质量。 它围绕一颗质量为0.644个太阳质量的恒星运行了571天。 它是盖亚发现的第一颗经确认的系外行星。 它也是迄今为止探测到的围绕低质量恒星运行的质量最大的行星之一，反映了盖亚方法固有的观测偏差。

国家科学基金会NOIRLab实验室的科学家、该论文的共同作者Jayadev Rajagopal说："对于NEID和盖亚来说，这是一个令人兴奋的时刻。盖亚已经完全兑现了它的承诺，即通过高精度的天体测量来探测恒星的行星伴星，而近地天体探测仪则证明了它的长期径向速度精度能够探测到这些恒星周围的低质量行星。 随着大约最后一年数据的分析，将会有更多的候选行星出现，这项工作预示着未来盖亚发现的行星和褐矮星将需要通过近地天体探测仪的数据来确认或否定。"

盖亚-5b是一颗褐矮星，围绕盖亚-5恒星运行，距离地球约134光年。 盖亚-5b的质量约为21颗木星，质量比行星大，但重量太轻，无法维持核聚变成为恒星。 这幅艺术家印象图展示了盖亚天体测量数据确定的部分轨道运动。 恒星和行星未按比例绘制。 资料来源：ESA/Gaia/DPAC/M. 马库森

盖亚-5b： 褐矮星发现

盖亚-5b是一颗褐矮星，是一种介于行星质量和恒星质量之间的天体。 盖亚-5b的质量约为21颗木星，围绕着一颗质量约为0.34个太阳质量的恒星运行着一个高度偏心的358天轨道。

这项研究强调了盖亚的天体测量能力在探测系外行星和褐矮星方面是多么有效。 它还体现了不同的观测技术--天体测量学和径向速度光谱学--如何协同工作以获得更可靠的结果。 与转移法等方法相比，综合方法可以发现更广泛的亚星伴星质量和轨道特征。

欧空局的安娜-赫拉斯（Ana Heras）说："如果我们想了解行星是如何形成的，就必须了解整个行星系统是如何构成的。目前，我们对大多数行星系统的了解都是片面的，因为每种探测技术对于一定范围内的行星大小和轨道周期都是有效的。 能够将所有技术和数据结合起来，对于了解行星系统的样子以及将我们的太阳系置于背景中至关重要。"

盖亚系外行星发现的未来

"盖亚-4b是系外行星发现中的一个异类。 在如此低质量的恒星周围发现如此大质量的行星，对我们的行星形成理论是一个巨大的考验。"作者在论文中写道："就恒星宿主星的质量而言，大质量行星的出现已知会随着恒星质量的降低而减少。"这与质量较小的恒星往往具有质量较小的原行星盘有关。 如果盖亚和NEID摄谱仪以及其他设备能够发现并确认更多这些大质量行星，或许研究人员就能在了解它们是如何形成的方面取得进展。"

天文学家们期望在盖亚的数据中发现更多的大质量系外行星和褐矮星，并用像近地天体探测仪这样的光谱仪确认其中的一些。 由于盖亚的观测方法，数据中可能会有更多的"异常值"。 我们需要这些异常值来帮助我们了解行星的形成和太阳系的结构。

作者总结说："这些探测结果代表了盖亚近期有望发现的行星和褐矮星的冰山一角，有助于我们深入了解处于中间轨道周期的众多大质量行星的质量和轨道结构。"

改编自最初发表在Universe Today上的一篇文章。