[비즈한국] 直到20世纪90年代，当人类提到“行星”这个词时，它指的仅是绕着太阳旋转的太阳系行星。虽然人们曾想象过太阳系之外可能存在环绕其他恒星运行的系外行星，但那仅仅停留在想象中，从未被证实过。然而，进入90年代后，人类终于开始捕捉到系外行星的实体数据。如今，多亏了开普勒空间望远镜、TESS等各种空间望远镜的活跃表现，我们已经确认了超过一万颗系外行星及其候选天体。现在的“行星”一词不再仅指太阳系行星，而是指环绕太阳系外无数恒星运行的所有宇宙行星。
事实上，人类寻找系外行星的最重要目的是显而易见的：寻找像地球一样适宜生命居住的地方。对系外行星的研究必然会延伸到对地外生命的探索。要满足像地球这样适合生命居住的条件，行星必须与中心恒星保持适度的距离，并且拥有像地球一样坚硬的岩石表面。如果像木星一样是仅由大气层覆盖的气态行星，那么生命将没有立足的大陆。
那么，在人类迄今发现的系外行星中，有多少颗满足与地球相似的条件呢？实际上，这一比例相当小。相反，随着视野转向太阳系之外，我们发现了很多在太阳系中闻所未闻的奇怪行星。它们像木星一样是体型巨大的气态行星，但却紧贴着中心恒星运行，这些行星被归类为“热木星”。
热木星在我们的太阳系中并不存在。在太阳系中，像木星这样巨大的气态行星都分布在远离太阳的外围。这非常容易理解：远离太阳的地方，气体物质没有被吹走，得以形成由较轻气体成分组成的气态行星；而在太阳系内侧，则形成了由耐热岩石和金属组成的像地球这样小而坚硬的行星。恒星附近形成坚硬的岩石，远离恒星的外围形成轻盈的云团行星，这一原理在观察我们的太阳系时显得理所当然。
然而，当人类开始了解太阳系外系外行星的存在并掌握其详细特征时，天文学家们感到困惑。因为关于行星系形成过程的现有认知，并不能很好地解释太阳系外的大多数系外行星。我们该如何理解热木星？这些脆弱的气态行星是如何紧贴中心恒星并被灼烧的？难道我们的太阳系在整个宇宙中，其实是行星大小排列顺序十分罕见的特殊案例吗？
长期以来，天文学家认为热木星并非从一开始就是现在的模样。因为在紧贴恒星、周期不到100天的极短轨道上，很难长期稳定地形成仅由轻质气体成分构成的行星。因此，他们推测这些气态行星原本诞生于远离中心恒星的行星系外围，由于某种原因轨道发生了改变，才一点点向恒星系中心漂移。这可以看作是行星版的“移民现象”。最近，天文学家发现了支持这一“热木星起源假说”的惊人观测证据！
2020年，天文学家利用TESS空间望远镜，在约1100光年外的一颗名为TIC 241249530的恒星旁发现了一颗系外行星。他们利用“凌日法”，即系外行星周期性经过中心恒星前方时，观测中心恒星亮度的微小变暗。随后，天文学家利用另一种方法计算出了该行星的质量：当行星环绕恒星时，二者会产生相互引力作用，导致中心恒星的位置发生微小晃动。测量这种晃动，就能推算出这颗行星对恒星造成的引力影响，即行星的质量。观测结果显示，TIC 241249530b是一颗质量约为木星4.98倍的巨大气态行星，相当于五个木星聚在一起。
这颗系外行星以仅约165天的短周期环绕中心恒星运行，其“一年”相当于地球半年。更令人惊讶的是，这颗行星的轨道是一个极度扁平的椭圆。经过持续观测，天文学家确认其轨道偏心率高达0.94。偏心率接近1意味着它几乎呈直线，轨道扭曲程度极其严重。
如果这颗行星环绕我们的太阳运行，它在最靠近太阳时会比水星离太阳还要近10倍，而最远时则会达到地球轨道的距离。这是迄今为止发现的轨道最为扭曲的行星，与其说是行星，不如说是接近彗星的轨道。此外，它还在进行着与中心恒星自转方向相反的逆行运动。
这颗行星之所以拥有如此独特的运动方式，是因为中心恒星是一对双星系统。在本次研究中，天文学家通过模拟还原了这颗行星轨道演化的过程，并预测了它在未来10亿年后的轨道变化。
起初，这颗行星也应该是在远离恒星的地方形成的普通气态行星。但在与其他恒星的引力相互作用下，其轨道变得极度扭曲，从而产生了现在这种极高的偏心率。模拟显示，该行星的轨道最终会向靠近中心恒星的方向进一步靠拢，轨道半径随之缩小，最终形成紧贴恒星的较小圆形轨道。也就是我们今天所称的“热木星”类型的轨道。
如果轨道如此极度扭曲，那么这颗系外行星的大气环境将非常不稳定。当它接近恒星与远离恒星时，行星表面接收到的恒星能量会有巨大差异。简单来说，一年中最热的时候温度可达1200度，最冷的时候可能降至200度。此前人类发现轨道最极端的行星是HD 80606 b，其偏心率约为0.93，而这一纪录如今已被打破。这两颗行星因极端轨道而导致的行星大气循环系统和季节变化，预计都将极其剧烈。
随着这种拥有极端偏心率的系外行星被陆续发现，我们有望揭开困扰已久的热木星起源之谜。热木星们大概也不是一开始就长成这副奇怪的模样。它们只是因为受到周围其他恒星或巨型行星持续的引力摄动，导致轨道发生偏移，一点点向中心恒星靠拢，最终形成了现在这种“糟糕”的轨道。这些拥有极端椭圆轨道的行星，正是“冷木星”向“热木星”演变过程的生动写照。
由于我们还没有搜遍太阳系外所有的恒星，因此尚无法确定我们的太阳系究竟是罕见的例外，还是与我们相似的族群在宇宙中普遍存在。但可以肯定的是，宇宙中行星的环境与样貌远比我们想象的更加多样。那些我们甚至无法想象的系外行星，肯定正隐藏在宇宙的某个角落。
参考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3
作者池雄培（Ji Woong-bae）：热爱猫咪与宇宙。童年时看过《银河铁道999》后，便立志要向世人传播宇宙之美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过银河相互作用带来的演化，并从事讲座和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧天文台》、《整天思考宇宙》、《星，光之科学》等书。