《華爾街日報》：銀河系中發現罕見的六行星恆星系統

一個由六顆氣態行星組成的家族，如同旋轉的托缽僧般圍繞着一顆類太陽恆星規律運行，這將很快幫助天文學家更深入理解類似我們太陽系的行星系統是如何形成與演化的。

根據週三發表於《自然》期刊的研究，這個距離地球約100光年的新發現系統非常特殊——其行星圍繞明亮主恆星的軌道模式自至少40億年前誕生以來似乎從未改變。

“這為研究行星系統軌道結構的早期階段提供了珍貴樣本，”聖路易斯華盛頓大學物理學助理教授坦蘇·達伊蘭表示，他未參與此項新研究。

2020年，科學家觀測到這顆明亮恆星的週期性光線變暗現象，暗示有系外行星正在其前方經過（即凌日現象）。該恆星由美國宇航局的TESS空間望遠鏡持續監測。

系外行星（目前已發現的5000多顆太陽系外行星統稱）形態各異。銀河系中最常見的"亞海王星"——體積大於地球但小於海王星，科學家認為它們可能擁有固態核心和氣體包層。

2022年通過TESS和歐洲航天局CHEOPS望遠鏡對HD 110067恆星的補充觀測不僅確認了六顆凌日亞海王星的存在，更發現這些天體通過引力相互影響，形成規律軌道模式。天文學家稱這種現象為"軌道共振"——這種構型在多行星系統演化過程中極少能保持。例如我們太陽系的行星就不處於共振狀態。

研究作者指出，HD 110067星系最內側行星每公轉三週時，第二近的行星恰好完成兩週公轉。第二與第三、第三與第四行星間存在相同規律，而第四與第五、第五與第六行星間則呈現四比三的軌道週期比。

這項新研究的首席作者、芝加哥大學天體物理學家拉斐爾·盧克表示，這種軌道共振鏈揭示了該六行星系統的演化歷史。他解釋道，恆星及其行星同時誕生於氣體和宇宙塵埃構成的扁平盤狀結構中——大部分氣體聚集形成中央恆星，而行星胚胎則在盤狀結構外圍由塵埃凝聚而成。行星形成初期往往通過軌道共振維持系統的引力穩定。

未參與研究的哥倫比亞大學天文學副教授戴維·基平評價道：“系外行星極少被發現處於這種共振狀態，這個現象令我着迷。這表明行星形成過程中普遍會發生動力學擾動，破壞這種原始的理想狀態——因此我們能觀測到的這類’時間膠囊’實屬珍貴，它們承載着行星誕生的奧秘。”

盧克指出，觀測數據顯示僅約百分之一的星系能保持原始共振至今。通常，小行星撞擊或類似木星的巨行星形成等混沌擾動，會在星系誕生後迅速破壞這種精密軌道模式。

盧克補充道，HD 110067行星系統仍保持軌道共振，表明其數十億年來未曾改變，這可能為揭示其穩定性的成因提供線索——同時也暗示了為何太陽系未能保持類似狀態。

盧克指出，太陽系外圍的木星、土星、天王星和海王星四顆行星，約45億年前軌道劇變之前，很可能曾與這個六行星系統存在相似的軌道共振關係。

2018年發射前，技術人員正在調試美國宇航局的凌日系外行星巡天衞星（TESS）。圖片來源：NASA研究作者與外部專家均表示，雖然此前發現過其他處於軌道共振狀態的多行星系統，但這是首個宿主恆星亮度足以支持後續研究的案例——科學家可藉此測量這些亞海王星的質量，並極高精度探測其大氣分子構成。

加州大學伯克利分校天文學家霍華德·艾薩克森（未參與該研究）稱，儘管已對木星大小的系外行星大氣開展過大量研究，“但像HD 110067系統中這般小的行星仍充滿謎團”。

艾薩克森和盧克認為，美國宇航局詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等設備或能幫助解析這六顆新發現系外行星的大氣特徵，可能觀測到甲烷、二氧化碳、水和氨等分子。

“這個行星系統為我們提供了理解小型行星大氣層化學成分的最佳機會，”華威大學天體物理學家、該研究的合著者托馬斯·威爾遜表示。“這進而可以揭示地球和海王星等小型行星是如何形成並隨時間演化的。”

聯繫作者艾琳·伍德沃德，郵箱：[email protected]

本文發表於2023年11月30日印刷版，標題為《新發現的六行星恆星系統為研究太陽系提供線索》。