我們都很熟悉太陽系中的幾大行星，水星距離太陽最近，公轉(zhuǎn)周期為88天，海王星距離太陽最遠，公轉(zhuǎn)周期長達164.8年。行星的軌道半徑是影響其公轉(zhuǎn)周期的首要因素之一。

太陽系各大行星的公轉(zhuǎn)軌道周期與年長度

（圖片來源：Veer圖庫）

然而，在太陽系外，卻存在這樣一些“異類”行星——超短周期行星（Ultra-Short-Period Planets, USPs）是系外行星中的特殊群體。它們具有類似地球的巖質(zhì)成分，卻居于極端的短周期軌道之上，以不足24小時的極短周期繞恒星公轉(zhuǎn)。此外，由于距離宿主恒星過近（宿主星即所圍繞的恒星，超短周期與宿主恒星之間的距離不到地球與太陽距離的五十分之一），其表面溫度可達2000K（相當于約1726.85攝氏度，超過常見硅酸鹽的熔點）以上，堪稱宇宙中的“熔巖煉獄”

這類極端行星在太陽系完全“缺席”，自發(fā)現(xiàn)以來就持續(xù)挑戰(zhàn)著太陽系傳統(tǒng)行星的形成演化理論，其起源和演化至今仍是未解之謎，也是科學(xué)家們一直爭論的焦點。

科學(xué)難題：超短周期行星如何"定居"極端軌道？

主流理論認為，超短周期行星是從更遠的位置通過某種機制遷移至短周期軌道，可能的機制主要有以下三種：

1. 機制一：盤遷移

行星在與原行星盤的相互作用下，于數(shù)百萬年（原行星盤一般存在時標為數(shù)百萬年）內(nèi)向內(nèi)遷移。

1. 機制二：高偏心率遷移

行星因動力學(xué)擾動被激發(fā)至高偏心率軌道，而后經(jīng)潮汐耗散軌道圓化，形成孤立且高傾角的超短周期行星。取決于軌道激發(fā)的快慢，該過程可經(jīng)歷數(shù)百萬年至數(shù)億年

1. 機制三：低偏心率遷移

行星通過與其他行星的相互作用維持較低偏心率，在持續(xù)的潮汐耗散過程中緩慢向內(nèi)遷移，此過程可長達數(shù)十億年

“熔巖世界”——超短周期行星

（圖片來源：Veer圖庫）

不同的形成機制其時間尺度橫跨數(shù)百萬年到數(shù)十億年，形成的軌道特征也大相徑庭。因此，研究該類行星的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型隨時間的變化規(guī)律，是破解其形成機制的關(guān)鍵突破口。

新的研究發(fā)現(xiàn)：年齡圖譜揭示形成演化密碼

2025年4月28日，《自然·天文學(xué)》刊登了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院系外行星課題組的突破性研究成果。該團隊基于我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）巡天數(shù)據(jù)，結(jié)合國際其他觀測數(shù)據(jù)，首次揭示了超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型隨年齡演化的規(guī)律，為破解這類"熔巖世界"的形成之謎提供了關(guān)鍵證據(jù)。

郭守敬望遠鏡（LAMOST）

（圖片來源：CGTN）

利用估計年齡的運動學(xué)方法，研究團隊首先借助LAMOST和Gaia（蓋亞太空望遠鏡）的觀測數(shù)據(jù)，計算出行星系統(tǒng)宿主恒星的運動學(xué)參數(shù)和運動學(xué)年齡。研究發(fā)現(xiàn)，相較于熱木星和其他短周期小質(zhì)量行星，超短周期行星的宿主恒星運動速度更大，位于銀河系厚盤（更為古老的銀河系盤狀結(jié)構(gòu)）中的比例更高，且年齡更老。也就是說，與其他短周期行星相比，超短周期行星的宿主恒星更加年老、運動更加“活躍”。

研究團隊進一步分析，得出了超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率隨年齡的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率隨年齡增長而上升。這一發(fā)現(xiàn)表明，大多數(shù)超短周期行星可能是在數(shù)十億年之后形成的，不太可能以極早期形成模型（如僅需數(shù)百萬年時間的盤遷移模型）為主要形成途徑。

此外，研究團隊還揭示了超短周期行星系統(tǒng)的軌道構(gòu)型隨年齡的演化規(guī)律：將短周期小質(zhì)量行星系統(tǒng)（公轉(zhuǎn)周期小于10天）按年齡劃分為年輕與年老兩類。在年老系統(tǒng)中，公轉(zhuǎn)周期在1天左右的分布較為集中，但在1-2天周期范圍內(nèi)行星數(shù)量顯著減少（在圖表上像出現(xiàn)一個“坑”），行星間的平均距離更大。但年輕系統(tǒng)中，公轉(zhuǎn)周期分布無顯著聚集或凹陷，行星彼此間靠得更近。并且，能觀測到系統(tǒng)中有多顆行星從恒星前方經(jīng)過（凌星）的情況較少，這說明它們要么軌道平面的傾斜程度不一致，要么附近缺少其他行星鄰居。

上述超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型的年齡依賴性表明，超短周期行星通過潮汐耗散驅(qū)動的軌道遷移在數(shù)十億年時間尺度上持續(xù)形成，且較年輕與較年老的超短周期行星分別源自不同的潮汐遷移路徑（高偏心率遷移和低偏心率遷移）。這些研究結(jié)果勾勒出了超短周期行星的形成機制和潮汐演化的整體圖像。

未來，還將持續(xù)構(gòu)建行星系統(tǒng)的演化全景圖

該成果是謝基偉團隊發(fā)起的“系外行星的空間分布和年齡演化”（Planets Across Space and Time，英文簡稱為PAST，中文簡稱“穿越”）系列研究計劃的重要突破。

此前，該計劃在揭示熱木星的演化規(guī)律方面也取得了重要研究成果（Chen et al. 2023 PNAS）。該計劃依托LAMOST大樣本巡天優(yōu)勢，構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時空數(shù)據(jù)庫（Chen et al. 2021 AJ），并對各種族群的行星系統(tǒng)開展普查和統(tǒng)計研究 (Chen et al. 2022 AJ; Yang et al. 2023AJ),旨在建立行星系統(tǒng)的“時空演化圖譜”，揭示行星系統(tǒng)形成和演化內(nèi)在機制，以及其與銀河系形成演化的深層關(guān)聯(lián)

參考文獻：

[1] Tu, P.-W., Xie, J.-W., Chen, D.-C., Zhou, J.-L. Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems. Nat Astron (2025).

[2] Chen, D.-C. et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2304179120 (2023).

[3] Chen, D.-C. et al. Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties. Astron. J. 162, 100 (2021).

[4] Chen, D.-C. et al. Planets Across Space and Time (PAST). III. Morphology of the planetary radius valley as a function of stellar age and metallicity in the Galactic context revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. Astron. J. 163, 249 (2022).

[5] Yang, J.-Y. et al. Planets Across Space and Time (PAST). IV. The occurrence and architecture of Kepler planetary systems as a function of kinematic age revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. Astron. J. 166, 243 (2023).

出品：科普中國

作者：涂培瑋（南京大學(xué)在讀博士生）

謝基偉（南京大學(xué)教授、中國天文學(xué)會行星專業(yè)委員會副主任）

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