兩顆新發(fā)現(xiàn)的系外行星再度引發(fā)了一個(gè)關(guān)于太陽(yáng)系的重大疑問(wèn)

為什么我們的太陽(yáng)系里沒(méi)有超級(jí)地球或亞海王星這樣的行星？

天文學(xué)家最近在距離地球約250光年的天龍座中，發(fā)現(xiàn)了兩顆圍繞著一顆雙星系統(tǒng)中的恒星運(yùn)行的新系外行星。（圖片來(lái)源：Martin Farnir）

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩顆新系外行星，它們與銀河系中已知的一些行星相似，但卻與太陽(yáng)系中的任何行星都不同。

它們圍繞一顆名為T(mén)OI-1453的恒星運(yùn)行，這顆恒星比太陽(yáng)略小、略冷，位于距離地球約250光年的天龍座，并屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)——即兩個(gè)恒星相互繞行的系統(tǒng)。

這兩顆新發(fā)現(xiàn)的天體被歸類為一顆超級(jí)地球和一顆亞海王星，它們代表了銀河系中最常見(jiàn)的兩類系外行星類型，但這兩類行星卻都沒(méi)有出現(xiàn)在我們的太陽(yáng)系中。

天文學(xué)家利用NASA的凌日系外行星巡天衛(wèi)星[1]（TESS）以及安裝在西班牙加那利群島拉帕爾馬島穆查喬斯巖天文臺(tái)上的北半球高精度徑向速度行星搜索儀[2]（HARPS-N）發(fā)現(xiàn)了這兩顆行星，將它們命名為T(mén)OI-1453 b和TOI-1453 c。

藝術(shù)家繪制的美國(guó)宇航局凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星（TESS）想象圖，該衛(wèi)星旨在尋找環(huán)繞太陽(yáng)系外最明亮恒星運(yùn)行的系外行星。（圖片來(lái)源：NASA's Goddard Space Flight Center）

TESS通過(guò)監(jiān)測(cè)恒星亮度的暫時(shí)性下降來(lái)尋找系外行星，這種方法被稱為凌日法。當(dāng)觀測(cè)到亮度下降時(shí)，這就表明，從地球的角度看，可能有一顆行星從它的宿主恒星前方經(jīng)過(guò)，短暫地遮擋了恒星的部分光線。通過(guò)測(cè)量這種現(xiàn)象，天文學(xué)家還可以估算出這顆可能存在的系外行星的大小和軌道周期。

與TESS數(shù)據(jù)相輔相成的是HARPS-N儀器，它是一種高精度徑向速度光譜儀，可以通過(guò)觀測(cè)恒星發(fā)出的光譜，來(lái)探測(cè)其中由于系外行星繞行而產(chǎn)生的微小變化。這一儀器采用多普勒法[3]——通過(guò)尋找恒星因軌道上行星的引力作用而產(chǎn)生的微小“擺動(dòng)”，從而揭示出行星的存在。

恒星擺動(dòng)引起的多普勒頻移。（圖片來(lái)源：）

“這兩顆行星在特性上呈現(xiàn)出有趣的對(duì)比，”該研究的第一作者、列日大學(xué)的天體物理學(xué)家馬努·斯塔爾波特在聲明中說(shuō)道，“TOI-1453 b是一顆超級(jí)地球，略大于地球，可能是巖質(zhì)行星。它的公轉(zhuǎn)周期只有4.3天，意味著它與其宿主恒星非常近?！?/p>

“超級(jí)地球”這一術(shù)語(yǔ)用來(lái)描述那些質(zhì)量大于地球，但又小于冰巨行星（如天王星和海王星）的系外行星。它們通常被認(rèn)為是巖石行星，類似于地球，但因體積更大，表面重力可能更強(qiáng)，這也影響著其大氣層和地質(zhì)過(guò)程。

考慮到TOI-1453 b距其宿主恒星如此之近，它可能異常熾熱，表面溫度高到足以剝離其絕大部分的大氣層。（比如，水星——我們太陽(yáng)系中最靠近太陽(yáng)的行星——公轉(zhuǎn)周期是 88 天，同樣因高溫而沒(méi)有明顯的大氣層。）

“與之不同的是，TOI-1453 c是一顆亞海王星，直徑約為地球的2.2倍，但質(zhì)量卻只有地球的2.9倍，”斯塔爾波特說(shuō)，“這使它成為已知密度最低的亞海王星之一，令人對(duì)其組成產(chǎn)生疑問(wèn)?！?/p>

TOI-1453 c極低的密度表明，它可能擁有厚重的富氫大氣層，或是以水為主的結(jié)構(gòu)成分。

“這也使它成為未來(lái)大氣層研究的理想目標(biāo)，”斯塔爾波特補(bǔ)充道，“理解這類行星的形成與演化，或許可以幫助我們揭示包括太陽(yáng)系在內(nèi)的行星系統(tǒng)是如何誕生和發(fā)展的?！?/p>

更有趣的是，這兩個(gè)行星所處的是一個(gè)雙星系統(tǒng)，意味著它們的宿主恒星還有一顆伴星。在這種環(huán)境中形成的行星往往經(jīng)歷更復(fù)雜的引力擾動(dòng)，這為研究提供了更多可能性。

天文學(xué)家還觀察到TOI-1453 b和TOI-1453 c的運(yùn)行軌道接近3:2共振，也就是說(shuō)，每當(dāng)內(nèi)側(cè)的行星公轉(zhuǎn)三圈，外側(cè)的行星幾乎剛好完成兩圈。這可能意味著它們的軌道曾經(jīng)與鄰近物體如氣體、微行星或伴星相互作用而發(fā)生改變，最終使TOI-1453 b被牽引至如今離恒星更近的軌道。

研究人員希望借助如詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡（JWST）等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)一步觀測(cè)這兩顆行星，尤其是深入探測(cè)TOI-1453 c的大氣層。如果這顆亞海王星真的擁有體量可觀的富氫大氣或以水為主的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它可能會(huì)改寫(xiě)我們對(duì)此類行星的形成機(jī)制的理解——也許還能幫助我們解答一個(gè)老問(wèn)題：為什么太陽(yáng)系里沒(méi)有這樣一顆行星？

詹姆斯·韋布太空望遠(yuǎn)鏡是迄今為止最大、最強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡。（圖片來(lái)源：Getty Images，作者 dima_zel）

這項(xiàng)研究成果已于2025年2月23日被《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊接收發(fā)表。

凌日系外行星巡天衛(wèi)星：凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星（TESS）是美國(guó)國(guó)家航空航天局的一項(xiàng)任務(wù)，旨在尋找環(huán)繞夜空中最明亮恒星運(yùn)行的行星。在其預(yù)定的任務(wù)周期內(nèi)，TESS將觀測(cè)至少20萬(wàn)顆恒星，以尋找從地球大小的巖石行星到巨型氣態(tài)行星等不同類型的系外行星?？茖W(xué)家希望在TESS啟動(dòng)后的前兩年內(nèi)能夠發(fā)現(xiàn)一萬(wàn)顆系外行星。TESS最初的任務(wù)期為兩年，但NASA于2019年7月宣布將其任務(wù)延長(zhǎng)至2022年。截至2019年初，TESS已確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了少數(shù)幾顆系外行星，并在其數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了數(shù)百個(gè)尚待進(jìn)一步驗(yàn)證認(rèn)的候選目標(biāo)。

北半球高精度徑向速度行星搜索儀：北半球高精度徑向速度行星搜索儀（HARPS-N）由一個(gè)國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)運(yùn)行，主導(dǎo)單位為日內(nèi)瓦大學(xué)。HARPS-N為NASA的開(kāi)普勒/第二代開(kāi)普勒（K2）太空望遠(yuǎn)鏡及其他天文臺(tái)發(fā)現(xiàn)的小型系外行星提供了寶貴的后續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。借助HARPS-N提供的高質(zhì)量數(shù)據(jù)，天文學(xué)家希望能夠精確測(cè)定類地行星的質(zhì)量，從而判斷它們與地球的相似程度。

多普勒法：多普勒頻移（Doppler shift），也叫多普勒效應(yīng)，是指波源與觀察者之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察到的波的頻率會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象適用于所有類型的波，包括聲波、電磁波（如光）、無(wú)線電波等。多普勒法（The Doppler method）也稱徑向速度法（The radial velocity method）可以探測(cè)出由于行星引力的作用，其宿主恒星在朝向或遠(yuǎn)離地球方向上的微小擺動(dòng)——通過(guò)測(cè)量恒星光譜中的波長(zhǎng)變化來(lái)捕捉這種引力擾動(dòng)的跡象。

BY:Samantha Mathewson

FY:4001

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