兩顆新發現的系外行星再度引發了一個關于太陽系的重大疑問

為什么我們的太陽系里沒有超級地球或亞海王星這樣的行星？

天文學家最近在距離地球約250光年的天龍座中，發現了兩顆圍繞著一顆雙星系統中的恒星運行的新系外行星。（圖片來源：Martin Farnir）

天文學家發現了兩顆新系外行星，它們與銀河系中已知的一些行星相似，但卻與太陽系中的任何行星都不同。

它們圍繞一顆名為TOI-1453的恒星運行，這顆恒星比太陽略小、略冷，位于距離地球約250光年的天龍座，并屬于一個雙星系統——即兩個恒星相互繞行的系統。

這兩顆新發現的天體被歸類為一顆超級地球和一顆亞海王星，它們代表了銀河系中最常見的兩類系外行星類型，但這兩類行星卻都沒有出現在我們的太陽系中。

天文學家利用NASA的凌日系外行星巡天衛星[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上的北半球高精度徑向速度行星搜索儀[2]（HARPS-N）發現了這兩顆行星，將它們命名為TOI-1453 b和TOI-1453 c。

藝術家繪制的美國宇航局凌日系外行星勘測衛星（TESS）想象圖，該衛星旨在尋找環繞太陽系外最明亮恒星運行的系外行星。（圖片來源：NASA's Goddard Space Flight Center）

TESS通過監測恒星亮度的暫時性下降來尋找系外行星，這種方法被稱為凌日法。當觀測到亮度下降時，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過，短暫地遮擋了恒星的部分光線。通過測量這種現象，天文學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數據相輔相成的是HARPS-N儀器，它是一種高精度徑向速度光譜儀，可以通過觀測恒星發出的光譜，來探測其中由于系外行星繞行而產生的微小變化。這一儀器采用多普勒法[3]——通過尋找恒星因軌道上行星的引力作用而產生的微小“擺動”，從而揭示出行星的存在。

恒星擺動引起的多普勒頻移。（圖片來源：）

“這兩顆行星在特性上呈現出有趣的對比，”該研究的第一作者、列日大學的天體物理學家馬努·斯塔爾波特在聲明中說道，“TOI-1453 b是一顆超級地球，略大于地球，可能是巖質行星。它的公轉周期只有4.3天，意味著它與其宿主恒星非常近。”

“超級地球”這一術語用來描述那些質量大于地球，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，這也影響著其大氣層和地質過程。

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——我們太陽系中最靠近太陽的行星——公轉周期是 88 天，同樣因高溫而沒有明顯的大氣層。）

“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，但質量卻只有地球的2.9倍，”斯塔爾波特說，“這使它成為已知密度最低的亞海王星之一，令人對其組成產生疑問。”

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

“這也使它成為未來大氣層研究的理想目標，”斯塔爾波特補充道，“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系在內的行星系統是如何誕生和發展的。”

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

天文學家還觀察到TOI-1453 b和TOI-1453 c的運行軌道接近3:2共振，也就是說，每當內側的行星公轉三圈，外側的行星幾乎剛好完成兩圈。這可能意味著它們的軌道曾經與鄰近物體如氣體、微行星或伴星相互作用而發生改變，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·韋布太空望遠鏡（JWST）等先進設備進一步觀測這兩顆行星，尤其是深入探測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部結構，它可能會改寫我們對此類行星的形成機制的理解——也許還能幫助我們解答一個老問題：為什么太陽系里沒有這樣一顆行星？

詹姆斯·韋布太空望遠鏡是迄今為止最大、最強大的太空望遠鏡。（圖片來源：Getty Images，作者 dima_zel）

這項研究成果已于2025年2月23日被《天文學與天體物理學》期刊接收發表。

凌日系外行星巡天衛星：凌日系外行星勘測衛星（TESS）是美國國家航空航天局的一項任務，旨在尋找環繞夜空中最明亮恒星運行的行星。在其預定的任務周期內，TESS將觀測至少20萬顆恒星，以尋找從地球大小的巖石行星到巨型氣態行星等不同類型的系外行星。科學家希望在TESS啟動后的前兩年內能夠發現一萬顆系外行星。TESS最初的任務期為兩年，但NASA于2019年7月宣布將其任務延長至2022年。截至2019年初，TESS已確認發現了少數幾顆系外行星，并在其數據庫中記錄了數百個尚待進一步驗證認的候選目標。

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）由一個國際合作團隊運行，主導單位為日內瓦大學。HARPS-N為NASA的開普勒/第二代開普勒（K2）太空望遠鏡及其他天文臺發現的小型系外行星提供了寶貴的后續觀測數據。借助HARPS-N提供的高質量數據，天文學家希望能夠精確測定類地行星的質量，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，是指波源與觀察者之間存在相對運動時，觀察到的波的頻率會發生變化的現象。這種現象適用于所有類型的波，包括聲波、電磁波（如光）、無線電波等。多普勒法（The Doppler method）也稱徑向速度法（The radial velocity method）可以探測出由于行星引力的作用，其宿主恒星在朝向或遠離地球方向上的微小擺動——通過測量恒星光譜中的波長變化來捕捉這種引力擾動的跡象。

BY:Samantha Mathewson

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