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迷你海王星和热木星这对行星界的奇特组合，可能形成于其恒星雪线之外的原行星盘较冷区域。图片来源：卡玛莉卡查克拉博蒂

190光年外的一对奇异行星正迫使天文学家重新思考行星系统的形成方式。

一对奇特且极其罕见的行星正在围绕一颗距离地球约190光年的恒星运行，天文学家认为他们或许终于明白了这对宇宙怪搭档是如何形成的。该系统包含一颗热木星——一种通常单独存在的巨行星类型，以及一颗轨道更靠近恒星的较小的迷你海王星。自从这个行星系统被发现以来，科学家们一直难以解释这两颗行星是如何共同存活下来的。

麻省理工学院的研究人员利用美国国家航空航天局的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）研究了迷你海王星的大气层，并发现了关于该系统起源的新线索。

詹姆斯韦伯空间望远镜研究一颗罕见的迷你海王星

发表在《天体物理学杂志通讯》上的这些新发现，标志着天文学家首次测量了一颗位于热木星轨道内侧的迷你海王星的大气。

观测结果显示，这颗较小的行星拥有浓厚的大气层，其中充满了较重的分子，包括水蒸气、二氧化碳、二氧化硫以及微量的甲烷。研究人员表示，如果这颗行星是在其当前靠近恒星的位置形成的，那么这种类型的大气层本不应该存在。

相反，数据表明这颗迷你海王星及其巨大的伴星可能形成于它们年轻行星系统更遥远、更寒冷的外部区域。

在那里，这两个天体可能在随着时间推移逐渐向内迁移之前，就已经积累了富含冰和挥发性化合物的浓厚大气层。科学家认为，这些行星在保持大气层完整的同时，一起向它们的恒星靠近。

这项研究还提供了迄今为止最有力的证据，表明迷你海王星可以在恒星的冻结线之外形成——该区域距离恒星足够远，水可以冻结成冰。

这是我们首次观测到一颗位于热木星轨道内侧的行星的大气层，麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的博士后、该研究的主要作者索加塔巴拉特表示。这项测量结果告诉我们，这颗迷你海王星确实是在雪线之外形成的，证实了这种形成路径确实存在。

这个国际研究团队包括来自麻省理工学院、哈佛史密森尼天体物理中心、南昆士兰大学、得克萨斯大学奥斯汀分校和隆德大学的天文学家。

一颗拥有不寻常伴星的热木星

迷你海王星比海王星小，主要由围绕岩石核心的气体构成。尽管它们是银河系中最常见的行星之一，但我们太阳系中没有这类行星的例子。

目前已发现的大多数迷你海王星都被认为相当普通。不过此前，当时在麻省理工学院担任托雷斯博士后研究员的切尔西X黄（现任职于南昆士兰大学）在一个非常不寻常的系统中发现了一颗迷你海王星。这颗迷你海王星似乎与一颗热木星一起围绕其恒星运行，这种情况天文学家很少见到。

这项发现来自美国国家航空航天局（NASA）的凌日系外行星勘测卫星（TESS）的观测。研究距离地球190光年的TOI1130恒星的科学家们，发现了两颗行星绕该恒星运行的迹象，它们的公转周期分别为4天和8天。

这是一个独一无二的系统，黄说。热木星是‘孤独的’，意味着它们的轨道内没有伴星行星。它们质量如此之大，引力如此之强，以至于轨道内的任何物体都会被散射出去。但不知何故，这颗热木星却有一颗内侧伴星幸存了下来。这就引发了关于这样的系统是如何形成的问题。

预测詹姆斯韦伯空间望远镜的完美观测

这个不同寻常的系统促使科学家们使用詹姆斯韦伯太空望远镜更详细地研究这些行星，尤其是被称为TOI1130b的内侧迷你海王星。

但事实证明，为观测把握好时机并非易事。大多数行星都以时钟般的精度绕其恒星运行，这使得它们的运动很容易预测。然而，在这个案例中，迷你海王星和热木星被锁定在天文学家所说的平均运动共振状态。它们之间的引力相互作用会轻微改变彼此的轨道，从而改变它们绕恒星运行的时间规律。

为了解决这个问题，由隆德大学的朱迪思科思（JudithKorth）领导的研究人员结合了该系统的早期观测数据，并创建了一个详细模型，以预测从詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）的视角来看，行星何时会从恒星前方经过。

这是一个具有挑战性的预测，我们必须做到精准无误，巴拉特说。

这些努力得到了回报，使团队能够获取到两颗行星的详细测量数据。

水蒸气与重分子揭示真相

JWST的美妙之处在于它并非只在一种颜色下观测，而是在不同颜色（即不同波长）下观测，巴拉特解释道。而一颗行星吸收的特定波长能让你了解其大气层的成分。

望远镜在这颗迷你海王星的大气中检测到了清晰的水、二氧化碳、二氧化硫以及少量甲烷的特征信号。这些较重的分子之所以引人注目，是因为通常认为在恒星附近形成的行星会拥有以氢和氦为主的更轻的大气。

研究结果表明，TOI1130b可能只能在距离其恒星远得多的地方形成，之后才向内迁移。

科学家认为，行星最初在冻结线以外的寒冷区域聚集水和其他挥发性化合物。在那种环境下，水会冻结在尘埃颗粒上，形成冰质卵石，正在形成的行星可以将这些卵石吸入其大气层。随着行星后来向其恒星靠近，冰会蒸发。

巴拉特表示，大气证据强烈表明这两颗行星都形成于该系统的外围区域，然后一起缓慢向内迁移。

巴拉特表示：这个系统是天文学家发现过的最罕见的结构之一。对TOI1130b的观测首次提示，这种在水冰线之外形成的迷你海王星确实存在于自然界中。

本研究得到了美国国家航空航天局（NASA）的部分支持。

相关知识

詹姆斯韦伯空间望远镜是哈勃望远镜的继任者，由美国航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）及加拿大空间局（CSA）联合研制，于2021年发射。它主打红外波段观测，能穿透星际尘埃，助力人类探索宇宙早期星系形成、恒星与行星系统诞生，以及系外行星大气成分等，是当前最强大的空间望远镜之一。

BY: Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology

FY: AI

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