1995年10月，人類首次在一顆類似太陽的恒星周邊發現了行星“飛馬座51b”，開啟了系外行星研究的序章。
但稍微研究飛馬座51b的性質和軌道以后，不少天文學家就驚訝地發現：
“它不應該在那里。”
突破傳統行星理論的熱木星
和木星類似，飛馬座51b是一顆氣態巨行星，但它的軌道離宿主恒星太近了。
有多近？地球到太陽距離的二十分之一。
離太陽最近的行星是水星，上面根本沒有水，白天時是一片極端炎熱的世界，飛馬座51b離其宿主恒星比水星離太陽還要近得多。
“這是一個與直覺相悖的發現。飛馬座51b超越了傳統行星形成和演化理論。”南京大學天文與空間科學學院謝基偉教授介紹，人類認識行星，就是從研究太陽系的八大行星開始的。內太陽系有水星、金星、地球和火星，它們體積和質量較小，屬于巖質行星，也稱類地行星。外太陽系則分布著木星、土星、天王星、海王星這四顆氣態巨行星和冰巨星。
為什么太陽系呈現出這種“內小外大”的構型？經典的行星形成理論提出了“雪線”的概念。
正如地球上的高峰都有一道鮮明的“雪線”，在雪線以下，降雪就難以形成積雪。太陽系的雪線大致在火星和木星之間，即小行星帶的位置。在雪線以外，水汽凝結成冰，能夠更快地形成足夠大的固態核心，并不斷加速吸附氣體等物質，最終形成巨行星。而雪線以內受恒星活動影響更大，不僅難以形成較大的固態核心，可供吸附的物質也較少。
環境如此惡劣，飛馬座51b何以安居恒星的“臥榻之側”？
就好比大火爐的旁邊怎么可能放得住一個大雪球呢，分分鐘就融化了。
為了解決種種矛盾和謎題，一個全新的行星類型——熱木星，被劃分出來。
謝基偉說，熱木星的發現堪稱天文學上的里程碑。它為人類打開了一扇新世界的大門，拓展了人類對行星的認知邊界，飛馬座51b的兩位發現者也于2019年獲得諾貝爾物理學獎。
截至目前，人類已發現6000多顆系外行星，其中有數百顆是熱木星。盡管前人已經對熱木星做過不少研究，但它們到底如何形成、如何演化，仍有不少問題留待解答。
這是熱木星與其宿主恒星的藝術想象圖。（南京大學供圖）
熱木星也“三遷”
為什么熱木星會出現在它本不該出現的位置，目前天文學界的主流觀點仍傾向于在傳統理論的基礎上“打補丁”，也就是認為熱木星還是在遠離恒星的寒冷地帶形成的，只不過在某種機制作用下遷移到了離恒星極近的軌道。
但具體是什么機制，天文學界莫衷一是，大致有三種模型。
首先是“盤遷移模型”，認為氣態巨行星形成后，與原行星盤相互作用，在此過程中，行星消耗了自身的能量，被拉向恒星，根據該模型的測算，實現軌道遷移只需幾百萬年。
其次叫“散射遷移模型”，認為原行星盤消散后，各大行星近距離交匯，猶如一場大型交通事故，導致一些行星被“排擠”到恒星附近，形成熱木星。理論上，這種遷移的速度比盤遷移慢，但基本可以在1億年內完成。
此外還有“長期混沌”等機制，軌道內遷用時更漫長，可能需要上億乃至數十億年。
原來熱木星也有“三遷”。謝基偉所領導的國際研究團隊，目標就是想精確地測算出這幾種遷移機制分別貢獻了多少熱木星。
如何下手呢？謝基偉在熱木星與宿主恒星的年齡上找到了突破口。
由于離宿主恒星太近，熱木星都處于“潮汐鎖定”的狀態。月球就被地球潮汐鎖定，永遠以同一面對著地球，熱木星也是如此。在潮汐耗散作用下，熱木星逐漸失去軌道角動量，不斷向恒星跌落，最終被恒星撕裂、吞噬。
因此，年齡越大的恒星系，出現熱木星的概率應該越低。
2023年，謝基偉團隊小試牛刀，根據74顆熱木星的觀測數據，首次發現熱木星的出現率確實隨著恒星系的年齡增長而下降。
雖然這只是一個定性的結論，卻解決了困擾研究人員20多年的問題——1999年，哈勃望遠鏡曾對準球狀星團，試圖以其強大的光學成像能力探測到熱木星，結果卻一無所獲。現在回頭看原因很簡單，當時的研究人員忽視了年齡這個要素。球狀星團雖然是一片稠密星區，但其中不少恒星已經上百億歲，即便曾經存在熱木星，絕大多數也會因為潮汐作用而湮沒在恒星的輝光中。
這一次，謝基偉團隊利用中國郭守敬望遠鏡和歐洲航天局“蓋亞”空間探測器等國內外天文設備的觀測數據，將樣本擴大到123顆熱木星，得出了更加精確的定量分析結論。
結果顯示，隨著恒星年齡增長，熱木星的出現率并非一成不變地勻速下降，而是“分段衰減、前慢后快”，以20億年為拐點，在此之前減少得慢，后期減少得快。
進一步研究發現，熱木星分為“早來族”和“晚來族”，而且“早的很早，晚的很晚”。前者約占六成，在宿主恒星形成的最初幾千萬年內便已“內遷”；剩下約四成“晚來族”，則是在接下來上億乃至數十億年的漫長歲月里，與其他天體長期相互作用，通過“長期混沌”機制偶然被輸送到恒星附近的。
研究團隊還對比了兩大族群的“身份特征”，發現“晚來族”更喜歡出現在金屬元素豐富的恒星周圍，且其軌道面與恒星自轉軸存在顯著夾角。這些特征完美印證了“長期混沌”機制的理論假設，強有力地證明該機制正是“晚來族”的主要來源。
“天文學上將所有比氫和氦重的元素統稱為金屬。我們知道恒星絕大部分物質是氫和氦，它們進行核聚變，就會產生更重的元素。”謝基偉說，“初代恒星完全由氫和氦組成，它壽終正寢時，會通過爆炸釋放出體內所有的物質，包括聚變產生的金屬元素，這些金屬元素與其他星際物質共同孕育下一代恒星。因此，如果一顆恒星的金屬豐度偏高，說明它是‘晚輩’。”
謝基偉告訴記者，此次研究產出的定量結果將用于優化以往的熱木星遷移模型，還可用于預測一些恒星附近是否存在熱木星。
穿越過去，看到未來
10月31日，謝基偉團隊將上述研究成果以論文的形式發表在國際學術期刊《自然-天文學》上。這也是團隊“行星的空間分布和年齡演化”研究計劃近5年來發表的第7篇系列成果。
“行星的空間分布和年齡演化”英文縮寫為PAST，直譯為“過去”，但謝基偉重新起了一個中文簡稱——“穿越”。
“我們覺得‘過去’可能聽起來有些消極的含義，實際上天文學研究的就是過去，幾萬甚至幾十億年前的光，跨過遙遠的宇宙，觸達我們的視網膜，讓我們得以看到過去，這不就是‘穿越’嗎。”謝基偉說。
近幾年，團隊依托中國郭守敬望遠鏡的大樣本巡天優勢，相繼構建了包含數千顆系外行星的時空數據庫，開展了各類行星系統的普查和統計研究，并在揭示熱木星和極短周期行星演化規律方面取得了重要研究成果。
此次熱木星定量研究的價值，也遠不止繪制幾張圖表、發表一篇論文那么簡單。在謝基偉看來，更深層的意義在于識人明己、鑒往知來。
盡管熱木星與地球的性質相去甚遠，但研究熱木星是如何被恒星拉近、潮汐鎖定，再一步步耗散、吞噬的，也能夠推測太陽進入紅巨星階段以后，水星、金星、地球的命運。
謝基偉表示，團隊計劃將研究范圍拓展到其他行星類型，通過分析恒星系統中的巖質行星如何形成、演化，不僅能“看到”地球的未來，還有助于尋找其他宜居行星。
就在10月31日當晚，神舟二十一號載人飛船發射升空。“我們現在還在使用歐洲航天局‘蓋亞’空間探測器拍攝的數據，今年3月它已經退役了。不久的將來，我國也會發射我們中國人自己的空間望遠鏡，屆時，我們將有更有力的工具去搜尋地球這樣的系外行星，解開更多行星演化的奧秘。”謝基偉滿懷期待。（記者 陳席元）
責任編輯：王振華
