[비즈한국] 直到20世紀90年代，當人類提到“行星”這個詞時，它指的僅是繞著太陽旋轉的太陽系行星。雖然人們曾想象過太陽系之外可能存在環繞其他恆星執行的系外行星，但那僅僅停留在想象中，從未被證實過。然而，進入90年代後，人類終於開始捕捉到系外行星的實體資料。如今，多虧了開普勒空間望遠鏡、TESS等各種空間望遠鏡的活躍表現，我們已經確認了超過一萬顆系外行星及其候選天體。現在的“行星”一詞不再僅指太陽系行星，而是指環繞太陽系外無數恆星執行的所有宇宙行星。
事實上，人類尋找系外行星的最重要目的是顯而易見的：尋找像地球一樣適宜生命居住的地方。對系外行星的研究必然會延伸到對地外生命的探索。要滿足像地球這樣適合生命居住的條件，行星必須與中心恆星保持適度的距離，並且擁有像地球一樣堅硬的岩石表面。如果像木星一樣是僅由大氣層覆蓋的氣態行星，那麼生命將沒有立足的大陸。
那麼，在人類迄今發現的系外行星中，有多少顆滿足與地球相似的條件呢？實際上，這一比例相當小。相反，隨著視野轉向太陽系之外，我們發現了很多在太陽系中聞所未聞的奇怪行星。它們像木星一樣是體型巨大的氣態行星，但卻緊貼著中心恆星執行，這些行星被歸類為“熱木星”。
熱木星在我們的太陽系中並不存在。在太陽系中，像木星這樣巨大的氣態行星都分佈在遠離太陽的外圍。這非常容易理解：遠離太陽的地方，氣體物質沒有被吹走，得以形成由較輕氣體成分組成的氣態行星；而在太陽系內側，則形成了由耐熱岩石和金屬組成的像地球這樣小而堅硬的行星。恆星附近形成堅硬的岩石，遠離恆星的外圍形成輕盈的雲團行星，這一原理在觀察我們的太陽系時顯得理所當然。
然而，當人類開始瞭解太陽系外系外行星的存在並掌握其詳細特徵時，天文學家們感到困惑。因為關於行星系形成過程的現有認知，並不能很好地解釋太陽系外的大多數系外行星。我們該如何理解熱木星？這些脆弱的氣態行星是如何緊貼中心恆星並被灼燒的？難道我們的太陽系在整個宇宙中，其實是行星大小排列順序十分罕見的特殊案例嗎？
長期以來，天文學家認為熱木星並非從一開始就是現在的模樣。因為在緊貼恆星、週期不到100天的極短軌道上，很難長期穩定地形成僅由輕質氣體成分構成的行星。因此，他們推測這些氣態行星原本誕生於遠離中心恆星的行星系外圍，由於某種原因軌道發生了改變，才一點點向恆星系中心漂移。這可以看作是行星版的“移民現象”。最近，天文學家發現了支援這一“熱木星起源假說”的驚人觀測證據！
2020年，天文學家利用TESS空間望遠鏡，在約1100光年外的一顆名為TIC 241249530的恆星旁發現了一顆系外行星。他們利用“凌日法”，即系外行星週期性經過中心恆星前方時，觀測中心恆星亮度的微小變暗。隨後，天文學家利用另一種方法計算出了該行星的質量：當行星環繞恆星時，二者會產生相互引力作用，導致中心恆星的位置發生微小晃動。測量這種晃動，就能推算出這顆行星對恆星造成的引力影響，即行星的質量。觀測結果顯示，TIC 241249530b是一顆質量約為木星4.98倍的巨大氣態行星，相當於五個木星聚在一起。
這顆系外行星以僅約165天的短週期環繞中心恆星執行，其“一年”相當於地球半年。更令人驚訝的是，這顆行星的軌道是一個極度扁平的橢圓。經過持續觀測，天文學家確認其軌道偏心率高達0.94。偏心率接近1意味著它幾乎呈直線，軌道扭曲程度極其嚴重。
如果這顆行星環繞我們的太陽執行，它在最靠近太陽時會比水星離太陽還要近10倍，而最遠時則會達到地球軌道的距離。這是迄今為止發現的軌道最為扭曲的行星，與其說是行星，不如說是接近彗星的軌道。此外，它還在進行著與中心恆星自轉方向相反的逆行運動。
這顆行星之所以擁有如此獨特的運動方式，是因為中心恆星是一對雙星系統。在本次研究中，天文學家透過模擬還原了這顆行星軌道演化的過程，並預測了它在未來10億年後的軌道變化。
起初，這顆行星也應該是在遠離恆星的地方形成的普通氣態行星。但在與其他恆星的引力相互作用下，其軌道變得極度扭曲，從而產生了現在這種極高的偏心率。模擬顯示，該行星的軌道最終會向靠近中心恆星的方向進一步靠攏，軌道半徑隨之縮小，最終形成緊貼恆星的較小圓形軌道。也就是我們今天所稱的“熱木星”型別的軌道。
如果軌道如此極度扭曲，那麼這顆系外行星的大氣環境將非常不穩定。當它接近恆星與遠離恆星時，行星表面接收到的恆星能量會有巨大差異。簡單來說，一年中最熱的時候溫度可達1200度，最冷的時候可能降至200度。此前人類發現軌道最極端的行星是HD 80606 b，其偏心率約為0.93，而這一紀錄如今已被打破。這兩顆行星因極端軌道而導致的行星大氣迴圈系統和季節變化，預計都將極其劇烈。
隨著這種擁有極端偏心率的系外行星被陸續發現，我們有望揭開困擾已久的熱木星起源之謎。熱木星們大概也不是一開始就長成這副奇怪的模樣。它們只是因為受到周圍其他恆星或巨型行星持續的引力攝動，導致軌道發生偏移，一點點向中心恆星靠攏，最終形成了現在這種“糟糕”的軌道。這些擁有極端橢圓軌道的行星，正是“冷木星”向“熱木星”演變過程的生動寫照。
由於我們還沒有搜遍太陽系外所有的恆星，因此尚無法確定我們的太陽系究竟是罕見的例外，還是與我們相似的族群在宇宙中普遍存在。但可以肯定的是，宇宙中行星的環境與樣貌遠比我們想象的更加多樣。那些我們甚至無法想象的系外行星，肯定正隱藏在宇宙的某個角落。
參考
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3
作者池雄培（Ji Woong-bae）：熱愛貓咪與宇宙。童年時看過《銀河鐵道999》後，便立志要向世人傳播宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過銀河相互作用帶來的演化，並從事講座和寫作等多種科學傳播活動。著有《曖昧天文臺》、《整天思考宇宙》、《星，光之科學》等書。