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，其轨道是凌日行星中迄今为止轨道最椭圆的行星。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)是所有已知系外行星(围绕太阳系外恒星运行的行星)中轨道最弯曲的行星之一。

它还绕其恒星逆行运行，这让我们能够更好地理解被称为热木星的近地大质量气态行星是如何随着时间的推移形成、稳定和演化的。

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。

宾夕法尼亚州立大学凡尔纳·M·威拉曼天文学教授、论文作者苏弗拉斯·马哈德万(SuvrathMahadevan)表示：“我们捕捉到这颗巨大行星在靠近恒星时急转弯的场景。如此偏心率如此之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。”

由宾夕法尼亚州立大学科学家领导的天文学家团队发现了一颗行星，其轨道是迄今为止发现的凌日行星中最椭圆的。这颗系外行星的极端轨道(看起来更像黄瓜而不是圆形)是所有已知系外行星(围绕太阳系外恒星运行的行星)中延伸最明显的轨道之一。这颗名为TIC241249530的行星也绕着恒星逆行，这让我们得以一窥近距离大质量气态行星(即热木星)如何形成、稳定和随时间演化的奥秘。图片来源：AbigailMinnich/宾夕法尼亚州立大学

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TIC241249530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椭圆轨道偏心率为0.25，地球偏心率为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，最远点的温度相当于夏日的温度，而最接近时的温度则非常炎热。

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。

“虽然我们无法按倒带键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个快照，”NOIRLab博士后研究员、论文第一作者、宾夕法尼亚州立大学博士生时期进行这项研究的ArvindGupta在NOIRLab的新闻稿中表示。“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颗行星属于热木星这一奇特的行星类别，即体积巨大、类似木星的系外行星，它们的轨道非常靠近恒星，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。这个过程的早期阶段很少被观察到，但随着对这颗轨道不寻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，因此我非常惊讶和兴奋地发现了一颗。”

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：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月首次使用美国宇航局的凌日系外行星勘测卫星(TESS)发现了这颗行星，结果显示一颗恒星的亮度下降，与一颗木星大小的行星从恒星前方经过相一致。

为了确认这些波动的性质并排除其他可能的原因，一个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WIYN3.5米望远镜上的两台仪器，这是NSFNOIRLab的一个项目。

该团队首先利用NN-EXPLORE系外行星和恒星斑点成像仪(NESSI)，采用一种有助于“冻结”大气闪烁的技术，这表明附近没有可能混淆TESS测量结果的外来恒星。然后，利用HPF和NEID光谱仪，该团队观察了TIC241249530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AndreaLin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。

宾夕法尼亚州立大学天文学和天体物理学教授杰森赖特(JasonWright)表示：“这是已知的最古怪的凌日行星，它将与之前的纪录保持者HD80606b一样重要，HD80606b的轨道同样古怪，与其主星的自转高度不一致。”在古普塔在该大学攻读博士学位期间，赖特负责指导该项目。

“这两颗偏心率极高的行星正‘陷入’向热木星演化的‘陷阱’之中。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JessicaLibby-Roberts、研究生MeganDelamer和天文学与天体物理学杰出教授DonaldSchneider。

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