系外行星陷入发夹弯揭示大质量气态巨行星的形成过程
天文学家发现了一颗行星，它的轨道是迄今为止发现的凌日行星中最长的。这颗系外行星的极端轨道——看起来更像一根黄瓜而不是一个圆圈——沿着已知系外行星中最伸展的轨道之一运行，这些系外行星围绕着太阳系外的恒星运行。它还逆向绕恒星运行，这让我们得以揭开近距离大质量气态行星(即热木星)如何形成、稳定和演化的谜团。
这项研究由宾夕法尼亚州立大学的科学家领导，今天(7 月 17 日)发表在《自然》杂志上。
“我们捕捉到这颗巨大的行星在靠近其恒星时急转弯的场景，”宾夕法尼亚州立大学凡尔纳·M·威拉曼天文学教授、论文作者苏夫拉斯·马哈德万 (Suvrath Mahadevan) 说道。“如此偏心率极高的凌日行星极为罕见——我们能够发现偏心率最高的行星，这真是太神奇了。”
马哈德万解释说，“偏心”一词指的是行星轨道的形状，其测量范围从零到一，零代表完美的圆形轨道。这颗名为 TIC 241249530 的系外行星的轨道偏心率为 0.94，比迄今为止发现的任何其他凌日系外行星的轨道偏心率都要大。相比之下，冥王星绕太阳运行的高度椭圆轨道的偏心率为 0.25;地球的偏心率为 0.02。马哈德万解释说，如此极端的轨道会导致行星上的温度变化，从轨道最远点的夏日温度到最接近时炽热的温度。
除了这颗系外行星轨道的特殊性之外，研究小组还发现，这颗行星的轨道是逆向的，也就是说，它与主星的自转方向相反。天文学家在大多数其他系外行星上，甚至在我们自己的太阳系中，都看不到这种现象，这有助于研究小组对这颗系外行星形成历史的解读。
“虽然我们无法准确地按下倒带并实时观看行星迁移的过程，但这颗系外行星可以作为迁移过程的一种快照，”NOIRLab 博士后研究员、论文第一作者 Arvind Gupta 在 NOIRLab 的新闻稿中表示，他在宾夕法尼亚州立大学攻读博士学位期间进行了这项研究。“像这样的行星很难找到，我们希望它能帮助我们解开热木星形成的故事。”
目前，已确认的系外行星超过 5,600 颗，分布在 4,000 多个恒星系统中。其中约有 300 到 500 颗系外行星属于 热木星这一奇特类别 ——大型、类似木星的系外行星，其轨道非常靠近恒星，比水星与太阳的距离还要近得多。热木星如何最终进入如此近的轨道仍是一个谜，但天文学家怀疑它们最初在远离恒星的轨道上运行，然后随着时间的推移向内迁移。这一过程的早期阶段很少被观察到，但随着对这颗轨道异常的系外行星的新分析，天文学家距离解开热木星之谜又近了一步。
古普塔说：“二十多年来，天文学家一直在寻找可能是热木星前身或迁移过程的中间产物的系外行星，因此我非常惊讶——也很兴奋——找到了一颗。”
这颗系外行星的发现和鉴定得益于宾夕法尼亚州立大学建造的三台仪器：NASA 资助的 NEID 光谱仪、 宜居带行星探测器光谱仪 和光度漫射仪。这三台仪器使研究人员能够观察和分析这颗系外行星发出的光。
研究人员于 2020 年 1 月首次使用 NASA 的凌日系外行星勘测卫星 ( TESS )发现了这颗行星，结果显示恒星亮度下降，这与一颗木星大小的行星从恒星前方经过一致。为了确认这些波动的性质并排除其他可能的原因，天文学家团队使用了 美国国家科学基金会 (NSF) 基特峰国家天文台 ( KPNO ) 的WIYN 3.5 米望远镜上的两台仪器，这是 NSF NOIRLab 的一个项目。
该团队首先利用了 NASA 资助的 NN-EXPLORE 系外行星和恒星斑点成像仪 ( NESSI )，该技术有助于“冻结”大气闪烁，这表明附近没有可能混淆 TESS 测量结果的外来恒星。然后，该团队使用 HPF 和 NEID 光谱仪观察了 TIC 241249530 的光谱或其发射光的波长如何因系外行星绕其运行而发生变化。
“看到 NEID 在短短几年内就取得了如此伟大的科学成果，真是太令人兴奋了，”论文合著者、宾夕法尼亚州立大学博士生 Andrea Lin 说道，他帮助建造和调试了 NEID 光谱仪。“我们才刚刚起步，我期待着看到未来我们能取得什么成就。”
对该行星六个月的轨道周期内恒星速度变化的详细分析证实，这颗系外行星的质量约为木星的五倍，并且沿着一条极其 偏心的轨道运行。
“这是已知最偏心的凌日行星，其重要性将与之前的纪录保持者 HD80606b 相媲美，后者的轨道也非常古怪，与主星的自转高度不对齐，”宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学教授 Jason Wright 说道，他在 Gupta 还是该大学博士生时负责指导该项目。“这两颗偏心率极高的行星正&luo;被抓住&ruo;向热木星状态演化。与 HD80606b 一样，这颗行星的质量是木星的很多倍，这表明形成热木星的这种途径可能只有质量最大的行星才能实现。”
综合起来，这两个例子从观察上证实了这样一种观点：质量较大的气态巨行星在从高度偏心的轨道迁移到更紧密、更圆的轨道时，会演变成热木星。
“我们特别感兴趣的是，当这颗行星以极低的距离靠近其恒星时，我们能了解到它大气层的动态，”赖特说。“像美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜这样的望远镜具有探测这颗新发现的系外行星在快速升温过程中大气层变化的灵敏度，因此研究小组还有更多有关这颗系外行星的知识需要学习。”
宾夕法尼亚州立大学的其他合著者包括博士后研究员 Jessica Libby-Roberts、研究生 Megan Delamer 和天文学和天体物理学杰出教授 Donald Schneider。论文中提供了完整的作者名单。
这项工作得到了宾夕法尼亚州立大学、美国国家航空航天局 (NASA)、系外行星和宜居世界中心、NASA-NSF 系外行星观测研究 (NN-EXPLORE)、NASA 系外行星探索计划、NASA 艾姆斯研究中心、罗伯特·马丁·艾尔斯科学基金、美国国家科学基金会 (NSF)、科学和创新部国家研究机构、托伦哥白尼大学、波兰、西班牙国家研究机构的科学和创新部 (MICINN)、TESS 客座研究员计划、海辛-西蒙斯基金会、德克萨斯大学奥斯汀分校、慕尼黑路德维希马克西米利安大学和哥廷根乔治-奥古斯特大学资助。
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