系外行星颠覆了教科书中关于行星形成的理论。当天文学家第一次想象围绕着其他恒星的行星时，曾以为每颗恒星的行星跟班们看起来都类似于我们的太阳系：行星基本在同一个平面上围绕其恒星运行，岩质行星离主星近，气态巨行星离得远。

烤木星 这张艺术概念图里的热木星，沐浴在其主恒星的热量中。天文学家已经发现数百个气态巨行星以地球到太阳十分之一甚至更小的距离围绕它们的恒星运行。

我们推断，这种配置是由于行星形成方式所造成的。每个行星系统都始于一团旋转的气体和尘埃云，然后坍缩成一个盘。在远离年轻恒星的盘外部，寒冷而广阔区域中，有更多的固体材料（包括冰）可用于构建行星核。当行星核变大，并被周围的盘物质所覆盖，就成为气态巨行星。而在靠近恒星的地方，只有微小的胚胎可以生长，它们因为太小而无法聚集气体——相反，气体像巨大的气囊一样起到缓冲作用，防止它们相互碰撞。几百万年后，气体盘消散，微小的岩石胚胎互相碰撞，最终形成我们地球这样的类地行星。

这个理论解释了我们太阳系的关键特征。但是并不能完全解释我们发现的许多其他行星系统。

现在我们已经发现并确认了5000多颗系外行星。这些行星世界中的大多数到其主恒星的距离都比水星到太阳还要近。在这些最内层的系外行星中，有一些不仅是气态巨行星，而且它们绕主恒星公转的轨道是扁长或者高度倾斜的，这让科学家们震惊不已。在最早发现的系外行星中，有比水星绕日轨道近10倍的热木星（例如1995年发现的飞马座51b）、也有在非常椭圆的轨道上运行的巨行星（例如2001年发现的HD80606b，它与恒星的距离在一个公转周期中变化了30倍），以及行星公转轨道平面与恒星自转平面截然不同的情况（例如2010年的HAT-P-11b，它以类似极轨道的方式绕恒星公转）。

极端轨道 木星大小的系外行星HD 80606b沿着一条极端扁长的轨道绕恒星运行，该轨道从0.03个天文单位延伸到0.89个天文单位。（图中绘制了太阳系行星的轨道供参考。）

这些早期发现的系外行星表明，并非所有行星系统的关键特征都类似我们的太阳系。通过新的任务和更灵敏的仪器，我们了解到内行星系统也可以是中小行星的家园，其中一些非常紧密地排列在一起。

行星系统的多样性告诉我们，目前的行星起源理论是不完整的。我们需要一个新的蓝图来说明，为什么会发现有一些行星系统像我们太阳系这样绕着恒星运行，有的行星系统则有着在倾斜又扁长的轨道上运行的热木星，还有的行星系统拥有五颗间隔很近的行星。研究占据行星系统内部区域的巨行星是绘制这一蓝图的重要一步：它们可能是许多行星系统中物理过程的极端结果，它们对于我们的起源理论来说也最为格格不入。如果了解它们，那么我们将更接近于了解到行星系统多样性的完整内涵。

/ 统计威力

在发现第一颗热木星25年多之后，现在已知有数百颗离主星近在咫尺的巨行星。我们可以利用这些行星、它们的恒星以及它们的行星系的其他特性来测试三种形成图景：原位形成、盘迁移和潮汐迁移。迄今为止的研究告诉我们，没有一种图景可以解释所有观测特征，并且至少有两种图景可能在共同起作用。

科学家们提出了三种普遍图景来解释密近巨行星的存在。

轨道特性提供了强大的图景测试功能。例如，如果潮汐迁移机制起作用，那么我们预计会在高度扁长的轨道上找到年轻的、近距离的巨行星，仍处于潮汐圆化过程中。反之，在原位或通过盘迁移形成的巨行星将始终位于圆形轨道上。我们现在知道大约有二十多颗热木星在椭圆轨道上运行，这表明正在进行潮汐迁移。我们不知道的是，我们看到的圆轨道行星是否已经完成了潮汐圆化，或者一开始就从未处于扁长轨道上。

将巨行星置于椭圆轨道上的机制很少会产生热木星。我们现在可以很好地了解距主恒星不同距离的巨行星有多常见。虽然热木星不如分离度更广的巨行星更常见——大约10%的恒星拥有一颗巨行星，1%的恒星拥有一颗热木星——热木星并不像我们由潮汐迁移所预计的那样罕见。因此，我们认为有一些热木星应该起源于原位形成或盘迁移。

热木星主恒星的特性进一步支持了双图景假设。潮汐圆化需要时间，我们确实看到，比起圆形轨道来说，椭圆轨道上的近距离木星更经常围绕年轻恒星运行。然而，一些圆形轨道行星世界距离太远而无法进行潮汐圆化，这表明它们的起源与另外两种机制有关。我们还观察到椭圆轨道的热木星围绕富含氧、碳和铁等较重元素的恒星运行。这是有道理的，因为我们认为恒星的成分与其行星形成盘中的物质相似，并且在具有更多固体的盘中，可以形成更多的巨行星，它们相互踢或逐渐拉到新的、扁长轨道。在固体较少的盘中，往往会形成较少的巨行星；由于可能的行星相互作用较少，这些行星世界往往通过盘迁移或原位形成变为热木星。

盘点一下哪些其他行星（如果有的话）伴随着近距离的巨行星，让我们有进一步的理由认为通常是双重图景在起作用。许多热木星附近没有其他行星，这与破坏性潮汐迁移一致。在它们行星系统更远的地方，很多情况下会有一颗遥远的巨行星，可能就是它引起了最初的干扰（尽管没有更详细的观测，我们无法确定）。然而，热木星的孤独也有明显的例外，例如WASP-47b，这是一颗附近有两颗较小行星的热木星。这种行星排列方式不可能通过潮汐迁移形成。此外，温木星（Warm Jupiters）距离它们的恒星更远——但与我们太阳系的冷木星（coldJupiter）相比仍然很近——通常附近会有行星，这表明它们中的很多起源于盘迁移或原位形成。

/ 聚焦个例

在过去的几十年里，我们不仅扩充了已知的近距离巨行星样本库，而且还对各个行星系统有了更详细地了解。天文学家利用凌星技术发现了许多近距离的巨行星，凌星的意思是当一颗行星从它的主恒星前面经过，会暂时使恒星的光变暗。来自开普勒（Kepler）卫星和凌星系外行星巡天卫星（TESS）任务的高精度测量和长期连续观测也使得使用一种有价值的新工具成为可能：凌星时变（transit-timing variations）。

这种时间变化的出现是因为伙伴行星的引力影响可能导致凌星系外行星在稍微不同的时间穿过其恒星的表面——有时到达得早，有时到达得晚。例如，如果从另一个行星系统精确地观察地球的凌日，我们可以探测到来自金星的少许周期性推动。热木星通常缺乏凌星时变，这是我们知道它们附近没有其他行星的方式之一。对于温木星，这种变化的存在为我们提供了有关单个行星系轨道配置的前所未有的详细信息，有助于回答上一节中统计研究所提出的问题。

如果没有从凌星时变中学到的知识，温木星Kepler-419b的扁长轨道将使其成为潮汐迁移的典型代表。然而，凌星时变揭示了存在另外一颗非凌星的外侧行星。通过确定完整的三维轨道，我们了解到外侧的行星目前还不能引起潮汐迁移，而且 Kepler-419b很可能不会成为热木星。它的历史一定更为复杂。其中一种可能是，它要么在早期形成或迁移到离恒星较近的位置，然后外侧行星以及消失的气体盘的综合作用使其进入椭圆轨道。

相比之下，如果没有我们从凌星时变中学到的知识，TOI-216b和TOI-216c这一对密近巨行星将成为盘迁移的典型代表。它们的轨道周期之比为2:1，这意味着它们处于或接近一种称为轨道共振（orbital resonance）的特殊配置中，在这种配置中，两颗行星在其轨道的同一位置重复相合。这种共振被认为是盘迁移的标志，因为迁移过程可以将行星锁定在这种特殊的配置中。然而，凌星时变表明，TOI-216的行星们只是松散地锁定在共振中，并且内侧行星的轨道比我们预期的更偏椭圆。同样地，结果表明了更为复杂的历史。最近的一项研究表明，气体盘的快速消失或者盘中的湍流都可能形成在这样的轨道上运行的一对行星。来自系统中其他行星的引力扰动则提供了另外一种可能性。

因此，对单个系统的探索支持了我们需要多种图景来解释近距离巨行星的想法。我们可能无法简单地按单一图景划分行星系统；事实上，多个机制可能在单个系统中起作用，例如当潮汐迁移跟随盘迁移时。即使是同一个图景也可能在不同系统中以不同的方式发挥作用，这取决于诸如行星的出生盘是宁静的还是动荡的等因素。

太近了，不舒适 热木星K2-33b只需5天半即可绕其恒星运行一个完美的圆圈。这颗恒星只有900万岁。

/ 前进之路

多亏这些发现，我们才知道，以太阳系为蓝图的行星起源理论是不完整的。因此，关于这些行星世界如何形成的答案远不止是巨行星一家的故事，它也可能对较小的行星产生影响，包括是否会像地球一样出现生命。

——本文节选自《中国国家天文》12月刊

作者简介 /

丽贝卡·道森（Rebekah I. Dawson）是美国宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学副教授，研究行星系统的形成和演化。她最爱的行星是地球，她喜欢在此度过的户外时光，并教她一岁和三岁的孩子了解所有其他没有出现在外太空绘本的行星。

译者简介 / 

宋乔，天体物理学博士，研究方向为太阳活动和空间天气，合译有《太阳全书》《云的真相》《纸上天文馆》等科普书籍。

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来源：中国国家天文

编辑：Quantum Bard