TOI 5205行星系统的艺术图。Credit: Katherine Cain,the Carnegie Institution for Science

天文学家近期发现了一个不寻常的行星系统：一颗巨大的气态巨行星在围绕着一颗小质量红矮星运行。这种围绕着较小恒星运行的大质量行星，二者共同形成的“禁忌”系统，对现有行星、尤其是气态巨行星的形成理论，形成了挑战。

系统中的红矮星名为TOI 5205，大小仅为木星的四倍，属于M矮星（最小的红矮星）。M矮星的体积比太阳小得多，温度也低得多，通常只有太阳温度的一半，颜色比太阳更红，光度非常低，但寿命非常长。M矮星是银河系中最常见的恒星类型。尽管这类恒星平均比其他更大质量的恒星拥有更多的行星，但天文学家认为它们不太可能拥有气态巨行星，尤其对于小质量的M矮星，可能性更小。

不过，凌星系外行星巡天卫星（TESS）首先发现了这个系统。观测发现TOI 5205的恒星亮度会在一段时间内有7%的下降，这意味着有一颗行星存在，这颗行星候选体被命名为TOI 5205b。之后，该项目的研究人员使用多种地面望远镜和仪器，对这颗系外行星进行了最终的确认，并分析发现它应该是一颗木星大小的行星。7%的亮度下降，也是目前已知的由系外行星凌星造成的最大亮度下降。为了直观对比TOI 5205这个行星系统的大小比例，我们想像在太阳系中木星和太阳，就像是豌豆围绕着大柚子在运转；而对于TOI 5205b，因为主星小得多，那里更像是一颗豌豆绕着柠檬而运行。

一般认为，在围绕着年轻恒星的“原行星盘”，也就是早期的气体和尘埃盘中，行星在其中慢慢演化形成。当原行星盘中的致密团块在自身引力作用下坍缩时，行星核就会诞生，之后它们会吸聚更多的物质，并逐渐形成行星。目前常用的行星形成理论表明，要诞生一颗气态巨行星，首先需要相当于10倍地球质量的岩石物质形成一个核心，而后这个核心从周围继续吸聚大量气体，形成我们观测到的气态巨行星。在演化早期，如果原行星盘中没有足够的岩石物质来形成行星的初始核心，那么就无法形成气态巨行星；而在晚期，如果原行星盘中的气体在行星核心形成之前就蒸发掉了，那么也无法形成气态巨行星。以天文学家目前对M矮星形成历史的理解，他们认为M矮星，尤其是小质量的M矮星是不太可能拥有气态巨行星的。但事实是TOI 5205b还是形成了，它是一颗“禁忌”行星。

韦布空间望远镜的后续观测，可以帮助我们确定TOI 5205b的大气成分，这有可能会揭示出这颗“禁忌”行星的诞生过程。这将扩展我们对行星形成理论的了解。相关研究成果于2023年2月21日发表在《天文学报》上。

图中的白色虚线显示了内太阳系和外太阳系的界线，小行星带大致位于火星和木星之间。图像顶部的放大图显示出，水分子附着在岩石碎片上。Credit: Jack Cook/Woods Hole Oceanographic Institution

水占据了地球表面的71%，但没有人明确知道如此大量的水是怎样、或是何时到达地球的。发表在2023年3月15日的《自然》杂志上的一项新研究，让科学家们离回答这个问题又近了一步。由美国马里兰大学的研究人员领导的团队，对自45亿年前太阳系形成以来一直漂浮在太空中的无球粒陨石，也就是由熔融物质结晶的、不含球粒的石陨石进行了研究，他们发现这些陨石的含水量极低。事实上，它们可能是有史以来被测量过的最干燥的地外物质之一，因此基本可以排除它们作为来源的可能。

科学家们一直想了解我们的地球是如何获得水的。对于地球这样一个相对较小的行星，并且距离太阳也比较近，在其表面需要拥有水、甚至形成海洋，这并不是一个很容易的事情。在太阳系早期的历史中，许多星子物质，也就是形成行星的原始物质，它们被放射性元素的衰变所加热，完成了被称为熔融的过程。研究团队分析了七颗无球粒陨石，这些陨石从至少五颗星子中分裂而出，经历数十亿年后，于近期坠落至地表。研究人员使用二次离子质谱仪对它们内部的水分含量进行了测量，这也是首次进行类似的成分检测。

对地外物质中的水含量进行测试分析，其挑战在于，样品表面可能沾染地球水分，或测量仪器内部的水分被意外混淆而被检测到，从而污染结果。为了减少污染，研究人员首先在低温真空烤箱中烘烤样品长达一个多月的时间，以尽可能多的去除它们表面的水分；而在二次离子质谱仪分析样品之前，样品会被再次干燥。最后的分析结果表明，水只占无球粒陨石样本质量的不到百万分之二。相比之下，最湿润的陨石，也就是碳质球粒陨石，它们含有占质量高达约20%的水，是该项目样品的10万倍。

研究团队的陨石样本有一些来自于冰冷的外太阳系。科学家们一般认为地球上的水来自于外太阳系；由于外太阳系寒冷多冰，所以普遍默认携带水的天体的水含量较高。此外，天文学家也尚未确定是什么类型的天体将这些水带到了地球。此次的研究结果表明，并非所有的外太阳系天体都富含水，并且无论这些星子起源于太阳系的何处、以及它们开始时含有多少水，星子的加热和熔融都会导致几乎全部的水分流失。因此，研究人员得出结论：水很可能是通过未熔融的球粒陨石被输送到地球的。更多地对水在太阳系中的运输进行分析，有助于进一步研究系外行星中水和生命的起源问题。

C/2023 A3的运行轨道，图中表明了它在2024年10月13日最接近地球时的位置。Credit: JPL HORIZONS/Bob King

彗星是短暂而美丽的天体，发现一颗有潜力的可见彗星总是令人兴奋的事情。最近，天文学家刚刚发现了一颗新彗星——C/2023 A3（紫金山—阿特拉斯），它有可能成为2024年的大事件。虽然每年都会有几十颗新彗星被发现，但其中绝大多数都非常微弱，无法用肉眼看到；仅有少数的才能有机会闪耀在夜空。C/2023 A3目前就非常符合预期，尽管当前它距离到最接近太阳和地球的时刻，还有着18个多月的时间，但人们预计，这将又是一颗会接近肉眼可见的彗星，值得关注。

C/2023 A3是由中国紫金山天文台和南非的小行星陆地撞击预警系统（ATLAS）在2023年初分别独立发现的，所以这颗彗星也被称为Tsuchinshan-ATLAS，也就是紫金山-阿特拉斯。被发现时，这颗彗星距离太阳7.3个天文单位，视星等为18等；它目前位于土星和木星轨道之间，距离地球约10亿千米。根据观测结果，C/2023 A3正在快速向太阳靠近，相对于地球，其速度为80.74千米/秒。对其轨迹的初步分析表明，C/2023 A3每80660年绕太阳公转一周，目前估计它将在2024年9月28日到达近日点，距太阳约5900万千米。而最接近地球的时间目前估计为2024年10月13日，距离地球7000万千米。

彗星在夜空中看起来是否明亮、壮观，这取决于彗星穿过太阳系的路径及其彗核的大小。C/2023 A3能够引起关注，首先是因为它可能足够亮，目前估计其亮度在近地点可能达到-0.2等，预期会在明年带来一个壮观的景象。被发现时，虽然它的亮度比肉眼可见的亮度暗约6万倍，但对于土星、木星这个距离的天体来说它已经很不错了，这预示了C/2023 A3似乎有一个相当大的彗核，从而在其接近太阳时大量物质会被升华并形成巨大的彗尾，到时候看起来可能会非常壮观。此外，从历史上看，绝大多数最亮、最壮观的彗星的运行轨道都非常靠近太阳。C/2023 A3也满足了这个条件：在近日点期间，它将掠过水星的轨道，离太阳非常近。

实际上，彗星的最终效果是很难被预测的。历史上有些彗星被认为可能很明亮，但最终则不然，比如上世纪70年代被宣传为“世纪彗星”的科胡特克彗星，它最终并没有达到预期的那么明亮壮观。此外，彗星解体的频率也非常高。最近解体的一个例子是彗星C/2020 F8，本来它被预测在2020年5月肉眼可见，但在本应最亮的时候分崩离析，几乎消失了。当然也有一些彗星解体后比预测的更加壮观，比如C/1975 V1。所以，C/2023 A3最终到来之前，我们无法确定它是否会成为奇观。它可能会支离破碎，变得不那么明亮，或者会让我们大吃一惊。

2024年6月上旬，北半球的天文摄影爱好者就可以拍摄到C/2023 A3的优质图像了。8月时这颗彗星会消失在太阳的耀眼光芒中。它在9月底经过近日点时，视野开阔的观察者可以在东方地平线附近看到这颗彗星。让我们一起共同期待吧！