从寒到暖，热木星为何要“搬家”越过“雪线”。 1995年，首颗热木星飞马座51b的发现不仅是天文学里程碑式的发现，还开启了系外行星研究新篇章。
近日，科研团队基于我国郭守敬望远镜（LAMOST）和欧洲盖亚（Gaia）望远镜等观测数据，发现热木星出现率随年龄呈现出分段衰减的规律。相关研究成果10月31日发表于《自然-天文学》。
论文通讯作者、南京大学教授谢基伟告诉《中国科学报》，这是行星的空间分布和年龄演化系列研究计划的重要突破，也是该系列成果的第7篇论文。
他介绍，行星的空间分布和年龄演化系列研究计划旨在建立行星系统的时空演化图谱，揭示驱动各种行星族群形成和演化的内在机制，以及其与银河系形成演化的深层关联。
目前，该计划依托LAMOST等样本数据，构建了包含数千颗系外行星的时空数据库，开展了各种族群行星系统的普查和统计研究, 并在揭示热木星和极短周期行星的演化规律方面已取得了重要研究成果。
令人震惊的发现
行星的探测与研究可以从太阳系的八大行星说起。
太阳系内部分布着四颗较小的类地行星，按距离太阳由近及远依次为水星、金星、地球和火星；太阳系外部则分布着四颗体积更大的气态巨行星和一颗冰巨行星，按距离太阳由近及远依次为木星、土星、天王星、海王星和冥王星。
为什么太阳系会呈现出这种内小外大的构型呢？谢基伟解释道，这跟太阳系的雪线相关。在经典的行星形成理论中，雪线是太阳系中天体形成的一条重要分界线，大概在火星和木星之间，即小行星带区域。
该理论认为，在雪线之外，水汽会凝结成冰，使固体物质的含量显著增加，从而能够更快地形成足够大的固体核心，并进一步吸积大量气体，诞生出巨行星；而在雪线之内，固体物质较少，难以形成巨行星。
1995年，两位科学家在位于水星轨道之内发现一颗巨行星——飞马座51b，这是在类太阳恒星飞马座51周围首次发现的行星，向经典的行星形成理论发起了挑战。
这是一个令人震惊的发现，不仅揭示了一类全新的系外行星族群：热木星，两位发现者也因此获得2019年诺贝尔物理学奖。
谢基伟介绍，热木星的大小与太阳系中的木星相近，但距离宿主恒星极近，通常不到地球与太阳距离的十分之一，因此表面温度高达上千摄氏度，被形象地称为热木星。
过去30年来，天文学家已发现数百颗热木星，并进行了大量研究，但它们的形成机制与演化依然是一个既令人困惑又极具吸引力的谜题。
过往研究的缺陷
目前的主流理论认为，热木星最早形成于距离中心恒星较远的雪线以外，然后通过某种机制迁移到当前离主星很近的位置。
至于如何迁移，天文学家曾提出多种机制。
一种是盘迁移模型，行星与原行星盘的相互作用下在数百万年内向内迁移。一种是散射迁移模型，原行星盘消散后，行星之间轨道发生近距离交会，有的行星被向内散射，形成热木星。这个过程比盘迁移更迟更慢，但绝大部分可以在1亿年内完成。谢基伟说。
还有一种是长期混沌机制，因为多颗行星在相互引力长期作用下的演化是混沌的，一些行星会在轨道近星点附近被恒星引起的潮汐效应俘获，从而形成热木星。该过程往往需要经历数千万年至数十亿年。谢基伟补充道。
到底哪种机制在热木星的形成中起主导作用？不同机制各自贡献了多少比例？这些关键问题仍是当前研究的焦点难题。
在热木星形成后的长期轨道演化中，热木星由于距离宿主恒星近，会受到持续的潮汐耗散作用而向恒星不断靠近。经过足够长的时间，一些热木星甚至可能进入恒星大气，被瓦解吞噬。
因此，热木星为研究恒星潮汐相互作用等提供了理想的天然实验室。
前人的研究往往通过对单个热木星的长期监测，以及热木星群体性质的统计分析，探讨其潮汐演化过程。谢基伟指出：这些研究不仅缺乏具有代表性的大样本观测结果，并且预期可观测的处在轨道衰减的热木星数量与观测不符。
先慢后快的衰减
热木星的出现率随时间的演化规律，成为揭示其形成机制和潮汐演化的关键突破口。
2023年，谢基伟带领团队根据74颗热木星的观测样本数据，首次发现并证实热木星的出现率随恒星年龄增长而下降。这一发现也解释了1999年哈勃望远镜为何在球状星团中未探测到热木星。
这些球状星团中的恒星年龄普遍超过百亿年，即便曾存在热木星，也早被恒星潮汐力撕裂吞噬。谢基伟说。
最新的研究是在2023年成果的基础上，实现了从定性到定量、从揭示观测规律到约束理论模型的两方面深化。
研究团队首先利用LAMOST和Gaia的观测数据，分析了123颗热木星的出现率随恒星年龄的演化规律。结果显示，热木星的出现率不是简单均匀地随年龄下降，而是呈现出明显的分段衰减特征。
谢基伟指出：热木星的出现率随恒星年龄增大的下降在前期较缓，而在后期速度显著加快，拐点大约在恒星年龄20亿年。
为什么会出现这样的情况？研究揭示，这一分段衰减规律源于热木星由早到族和晚到族两类族群共同构成。约60%的热木星是早到族，它们在恒星形成后数千万年内迁移至恒星附近；约40%的热木星是晚到族，它们在恒星形成后数千万年至数十亿年间逐步迁移至恒星附近。
两类族群共同塑造了热木星整体出现率的演化特征，呈现出先慢后快的分段衰减模式。谢基伟说。
两个族群的轨道构型示意图 受访者供图
研究还发现，晚到族更倾向于出现在富金属恒星的多行星系统中，其行星公转轨道与恒星自转轨道存在明显倾角。谢基伟解释，恒星中的金属元素主要来自上一代恒星爆炸后的残余物质，因此金属丰度高的恒星通常形成较晚，也比较年轻。晚到族的特征与长期混沌机制的理论预期一致。
团队的研究不仅优化了迁移模型，还为预测恒星周围热木星的存在提供了理论依据，有助于推测太阳进入红巨星阶段后，水星、金星与地球的潜在命运。
谢基伟透露，未来研究团队将进一步拓展至其他行星族群的形成与起源研究，旨在构建系外行星多类型形成演化的统一图景，从而为解答地球与太阳系在宇宙中是否特殊？这一命题提供科学依据。（来源：中国科学报 沈春蕾）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-025-02693-6
作者：谢基伟等 来源：《自然—天文学》
