□ 供稿/赵冬瑶

1.挑战极端：岩石行星新的诞生环境

来自马普天文研究所的研究团队，于2023年11月30日在《天体物理学报通信》发表文章，并宣布了他们的新发现：在一颗巨大、活跃的年轻恒星的类地岩石行星形成区内，发现了水和有机碳分子。这表明即使在银河系最恶劣的环境中，也可能形成类地行星，其中一些甚至可能拥有适宜居住的条件。

此次的发现是韦布空间望远镜的极紫外环境（XUE）计划的首批结果。该计划重点研究大质量恒星形成区中原行星盘的特征，寻找可能存在的生命。在厚厚的气体尘埃云中，当充满活力的高温大质量恒星形成时，它们会发出强烈的紫外辐射，辐射会冲击周围物质，让恒星附近的环境变得更为残酷和极端。这些区域可能代表了大多数行星系统的形成环境。了解环境对行星形成的影响，对于天文学家深入了解所观测到的系外行星的多样性非常重要。

XUE计划的观测目标，是位于龙虾星云NGC 6357中的三个区域、总共15个原行星盘。龙虾星云位于天蝎座中，是距离地球约5500光年的大型发射星云；它也是距离地球最近、且最年轻的大质量恒星形成复合体之一，是银河系中一些最大质量恒星的所在地。

对于研究大质量恒星形成区的原行星盘，具有极高空间分辨率和灵敏度的韦布空间望远镜，是目前唯一满足要求的望远镜。它甚至可以深入探测离恒星很近的岩石行星形成区：只有韦布中红外仪的波长范围和光谱分辨率，才能探测到岩石行星形成时，所在的温暖原行星盘的分子组成和物理性质。在韦布空间望远镜发射之前，天文学家只能对距离地球更近的星云中的原行星盘进行较深入研究；而这些盘的环境中，没有像NGC 6357中的恒星那样年轻，质量也更小。

此次研究集中在了名为XUE-1的原行星盘。它虽然围绕着一颗太阳大小的恒星运行，但它周围分布着大质量恒星，这使得XUE-1在其整个生命周期中，都会不断暴露在强烈的紫外辐射中。研究人员发现，在如此极端的环境下，XUE-1的内盘，也就是小于10个天文单位的范围内，其中仍然可以检测到一系列分子：水、一氧化碳、二氧化碳、氰化氢和乙炔，此外还发现了部分结晶的硅酸盐尘埃颗粒，这些都被认为是岩石行星的组成部分。研究团队感到惊讶和兴奋，因为这是第一次在如此极端的环境下探测到这些分子。

此外，分析结果还表明，与其他处于环境相对平静的低质量恒星形成区的内盘相比，XUE-1的物理和化学性质的性质与前者有着惊人的相似。此前天文学家认为，大质量恒星产生的强烈紫外辐射会干扰原行星盘中气体和尘埃的分布，可能会阻止像地球这样的岩石行星形成。但此次发现对于宇宙中的生命来说是个好消息，因为它减轻了天文学家们的担忧，即此前认为的，宜居行星不可能在距离大质量恒星太近的地方形成。这表明了岩石行星可以形成于更广泛的环境中。研究团队将继续观测分析XUE计划中剩下的14个原行星盘，以检查此次发现的普遍性，并希望进一步分析在NGC 6357中，生命存在的可能。

2.“完美”共振的多行星系统

在附近恒星的行星系统中，天文学家最近发现了罕见的景象：六颗行星在有节奏地围绕着它们的宿主恒星运行。这组行星的轨道华尔兹重复地如此精确，以至于可以很容易地将其编写为一首华美的乐章。这个行星系统非常罕见，因为六颗行星全部处于轨道共振中，被引力锁定，“同步”运行；从该系统诞生以来，这个状态一直持续了十亿多年，没有发生过变化。这将帮助天文学家深入了解行星系统的形成和演化。此次的发现发表于2023年11月29日的《自然》杂志。

这个行星系统的宿主恒星为HD110067，位于后发座，距离地球约100光年。该系统中的行星于2020年首次被美国航天局的凌星系外行星巡天卫星（TESS）所发现，最先发现的是其中的两颗行星。两年后，利用欧洲空间局的系外行星特性探测卫星，第三颗行星被发现。之后，研究人员分析了TESS的新数据，发现由行星造成的HD110067的亮度下降与已知的三颗行星不相符，从而发现了剩下的三颗行星。这六颗行星都非常靠近宿主恒星，它们所有的轨道都在水星和太阳之间的距离内，并不处于HD110067的宜居带；行星们的公转速度也非常快，轨道周期从9天到55天不等。此外，这六颗行星都是亚海王星。

多行星系统在银河系中很常见；而处于轨道共振的行星也并不罕见。比如在太阳系中，海王星与冥王星就存在着3∶2的轨道共振，即海王星每绕太阳三圈，冥王星就绕太阳两圈。然而，如此多的行星都处于轨道共振，这种“完美系统”却是非常罕见的，此次的发现令天文学家非常惊喜。在这个系统中，离宿主恒星最近的四颗恒星保持着3∶2的轨道共振；而第四颗行星与第五颗行星、以及第五颗行星与第六颗行星，都保持着4∶3的轨道共振。研究团队还认为，此系统自诞生以来，在超过十亿年的时间里，一直在以这个节奏在运行。

轨道共振系统的发现极其重要，因为它为天文学家提供了有关行星系统形成和演化的重要信息。天文学家认为，当行星从原行星盘中诞生时，它们是维持着轨道共振的。但“同步”的轨道非常容易受到扰动，例如，有其他恒星路过或者系统内发生一次巨大的撞击事件，都可能破坏这种完美的平衡。因此，天文学家已知的多行星系统，基本都没有处于完美的共振中。天文学家估计，所有行星系统中，只有百分之一存在着轨道共振；而保持完美共振的多行星系统更加罕见。这是为什么HD110067非常特别、并需要进一步研究的原因：它向我们展示了一个未受破坏的行星系统的原始结构。

3.过大行星的发现挑战行星形成理论

2023年11月30日发表于《科学》杂志上的一项新研究表明，最近由宾夕法尼亚州立大学天文学家领导的团队，在一个低质量恒星附近，探测到了一颗质量过于巨大的行星，这严重挑战了现有的行星系统形成的理论。

目前，天文学家寻找系外行星，常用的方法之一是径向速度法。也就是说，如果一颗恒星周围存在行星，那么行星的引力会拉拽恒星，使恒星的径向速度产生微小变化，通过测量这个变化，天文学家可以认证行星的存在。三十年来，天文学家不断进行改进，使径向速度法的测量精度越来越高，以期望发现类太阳恒星周围、可能存在的质量与地球相当的宜居带行星。虽然径向速度法的测量精度目前还满足不了这个需求，但天文学家将注意力先转向了处于低质量恒星宜居带的行星，因为他们的探测信号更为明显。当宿主恒星的质量很小、温度很低时，为了获得足够的温度使表面能够存在液态水，行星应该更加靠近其宿主恒星。再考虑到恒星的低质量，行星对恒星径向速度的影响就会比较明显，天文学家就会更容易的探测到信号，从而认证宜居带行星的存在。

由于低质量、低温度恒星的辐射集中在近红外波段，该研究团队花费了10年时间，设计并建造了一台高精度的近红外摄谱仪，被称为“宜居带行星探测器”，旨在利用径向速度法探测这些围绕着低温恒星运行、且表面可能存在液态水的行星，这也是寻找生命的关键。分析数据时，研究团队在低质量“超冷”恒星LHS 3154的附近，发现了一颗不同寻常的行星，被命名为LHS 3154b。LHS 3154是一颗M型恒星，其质量比太阳小9倍。令人惊讶的是，在轨道周期只有3.7天的区域，存在着LHS 3154b，这是一颗海王星质量大小的行星，质量超过地球的13倍。LHS 3154b与其宿主恒星的质量比，与地球和太阳的质量比相对照，前者比后者要高100多倍。这是第一次探测到，具有如此大质量的行星在近距离轨道上围绕着如此低质量的恒星运行。此次研究的发现，也正在动摇目前的行星形成理论。

目前的理论认为，恒星是在巨大的气体和尘埃云中形成的。恒星形成后，残留的气体和尘埃会以原行星盘的形式围绕新生恒星运行，而行星便会在其中诞生。目前认为，行星形成的一种途径是核心吸积：尘埃颗粒聚集成长、并形成行星核，之后其通过引力继续吸引周围物质，从而最终形成行星。观测表明，低质量恒星的原行星盘质量较小，因此核心吸积理论认为，其盘中没有足够多的固体物质来制造足够重的行星核，大质量行星并不认为会出现在低质量恒星附近。研究团队进行了计算机模拟，发现如果要在LHS 3154附近产生与LHS 3154b相同质量的行星，需要的原行星盘质量至少是目前理论所认为的质量的10倍。而另一种行星形成途径，即“引力不稳定”，也就是原行星盘中的气体和尘埃直接塌缩形成行星，这在没有观测到大质量原行星盘的情况下，也很难解释大质量行星的形成。LHS 3154b的存在，使天文学家需要重新审视对行星系统形成理论的理解。

4.探索“蓬松”行星的大气层

一个欧洲天文学家团队利用韦布空间望远镜最新的观测数据，研究了系外行星WASP-107b的大气层。他们不仅在其中发现了水蒸气和二氧化硫，还发现了处于动态循环的硅酸盐沙云。此次研究结果发表于2023年11月15日的《自然》杂志上。

WASP-107b的宿主恒星是WASP-107，距离地球约200光年，质量约为0.69倍太阳质量，表面温度约为4400K，比太阳小一些、也冷一些。WASP-107b在非常紧密的轨道上围绕宿主恒星运行，轨道周期仅为5.7天，这也使它的表面非常热，温度达到了500°C左右。WASP-107b是一颗独特的行星，它的大小与木星大致相同，但质量仅为木星的12%，与海王星质量相似。与太阳系内的气态巨行星相比，WASP-107b就显得相当“蓬松”，它是天文学家已知的密度最低的行星之一。天文学家对WASP-107b充满兴趣，原因之一是它的蓬松度使天文学家能够对其大气层进行深入的探索，因为光谱特征在密度较低的大气中将更为显著。观测WASP 107b大气所能达到的深度，是观测木星这样的高密度行星大气所能达到深度的约50倍，这为解开行星大气复杂的化学成分和动力学打开了一扇窗户。

研究团队利用韦布中红外仪的数据，对WASP 107b的大气成分进行了识别。除了水蒸气外，二氧化硫的发现令他们感到惊讶。对于质量较小温度较低的宿主恒星，因为其辐射的高能光子比例较小，按照之前的理论模型预测，其附近行星的大气中不会产生二氧化硫。但是对于拥有低密度大气的WASP-107b，就算较少的高能光子也可以深入渗透到大气层中，引发化学反应，产生二氧化硫。这对行星大气模型是一种补充。此外，研究人员在WASP-107b的大气层中没有发现任何甲烷的痕迹，暗示着其表面高温可能直接来源于非常温暖的内部。研究团队的发现不仅如此。他们注意到与无云情况相比，WASP-107b的水蒸气和二氧化硫的光谱特征都有着显著的减弱，说明存在高空云部分遮挡了大气中的水蒸气和二氧化硫。对化学成分进行分析后，研究团队表明高空云是由细小的硅酸盐颗粒所组成。硅酸盐颗粒是人类熟悉的物质—沙子的主要成分。WASP-107b的高空云即是非常细粒的沙云。

就WASP-107b而言，传统模型预测其沙云应该维持在大气层温度更高的更深处，而且即使有沙云出现在大气层高处，它们也会以沙雨的形式落下。那么观测到的WASP-107b的沙云为什么会在高空持续存在呢？研究人员认为WASP-107b的沙云可能处于一个动态循环中。当高处沙云的“雨滴”凝结落下时，它们会到达大气中非常热的更深层，在那里它们会被蒸发，并以硅酸盐蒸气的形式有效地向上移动，重新回到高处，再次形成沙云。这与地球上水蒸气和云的循环非常相似，只不过这里的“雨滴”是由沙子构成。这种垂直传输的升华和凝结的连续循环，是WASP-107b大气层高处沙云持久存在的原因。此次研究揭示了遥远星球上化学物质和气候条件之间复杂的相互作用，让天文学家对系外行星大气的动力学和化学有了更深的理解。

5.行星“尺寸空隙”的可能原因被发现

最近，一项新的研究对超级地球和亚海王星之间“缺失”的系外行星进行了深入解释。天文学家目前已经发现了超过5500颗系外行星，这些行星的个头各异，尺寸从较小的岩石行星到巨大的气态巨行星，都有分布。然而，在这些短周期行星大小的分布上，这些已有的样本存在一个明显的“尺寸空隙”，即超级地球（峰值约为1.3倍地球大小）和亚海王星（峰值约为2.4倍地球大小）之间的尺寸不连续分布。天文学家现在有足够多的观测数据证实，这个“尺寸空隙”是真实存在的，即1.5-2倍地球大小的行星的数量比预期的要少。天文学家认为，可能有特定的原因，导致了行星难以保持在这样的大小范围。这项新的研究利用了开普勒望远镜的数据，支持了“尺寸空隙”理论，即亚海王星的核正在从内到外推开它们的大气层，大气的不断流失使行星快速缩小到超级地球的大小，从而整体很难维持在1.5-2倍地球大小。

不过，“尺寸空隙”的存在可能意味着这些亚海王星在不断失去大气层；但是其中大气层的流失过程和原因，在天文学家们看来，一直充满着争论。天文学家目前提出了两种可能的机制：一种称为核心驱动质量损失，另一种为光致蒸发。核心驱动质量损失是，当行星炽热核心发出的辐射随着时间的推移，会将大气推离行星，同时发生了质量损失；辐射从下方推动行星大气，这个机制被认为发生在行星形成后的10亿年左右。光致蒸发则是行星大气被其宿主恒星所产生的热辐射吹走所导致的，此时行星受到恒星辐射，就像冰块上的吹风机一样，辐射从上方推动行星大气，这个机制被认为发生在行星形成后的最初1亿年中。而此次研究为前一种机制提供了新的有力的观测证据。

该项研究的数据来自开普勒望远镜K2任务所收集的系外行星数据。研究团队首先集中在两个星团：鬼星团和毕星团。鬼星团包含有约1000颗恒星，年龄约为6亿年；毕星团包含有约500颗恒星，年龄约为8亿年。由于行星通常被认为与其宿主恒星年龄相同，选择这两个星团是因为系统中的行星已经度过了理论上光致蒸发的年龄，但还没有到达经历核心驱动质量损失的年龄。因此，如果研究人员发现鬼星团和毕星团中有很多亚海王星，他们就可以得出结论，光致蒸发很可能没有发生。实际上，研究人员分析数据发现这两个星团中，几乎所有的恒星在其行星系统中都拥有一颗亚海王星，并且这些亚海王星都保留了大气层。此外，研究人员还分析了K2数据中，年龄大于8亿年的恒星所拥有的行星，这些有着更大年龄行星，更接近理论上发生核心驱动质量损失效应的时间范围。研究人员发现，这里只有25%的此类恒星拥有亚海王星在轨道上运行。

综合这些结果，研究团队得出结论，鬼星团和毕星团中的行星不太可能经历光致蒸发，否则这些行星将很少为亚海王星，并且应该几乎没有大气残留。观测结果更加支持核心驱动质量损失，这些行星的大气层更有可能是因为行星炽热核心发出的辐射而逃逸。该研究发表在2023年11月15日的《天文学报》上。

6.首次探测到河外星系中的原行星盘

由杜伦大学的天文学家领导的团队，最近在银河系外的另一个星系中，首次观测到了围绕一颗年轻大质量恒星旋转的原行星盘。原行星盘对于行星的形成至关重要；以往直接的观测证据，都来自银河系内的恒星，而此次是天文学家第一次在另一个星系中，观测到了这方面的直接证据。该研究结果发表于2023年11月29日的《自然》杂志。

当一颗新生恒星形成时，周围的残余物质会因为引力作用，被拉向这颗恒星。由于物质带有角动量，它们不会直接落到恒星表面，而是会在恒星周围形成一个旋转的圆盘，即原行星盘，行星会产生于其中。此次发现拥有原行星盘的恒星为HH 1177，质量约为太阳的15倍，位于大麦哲伦云星系中，距离地球约16.3万光年。2018年，天文学家利用欧南台的甚大望远镜发现了年轻的HH 1177，并且观测到了它发出的喷流。喷流的存在暗示了一个正在形成的原行星盘的存在。为了对此进行确认，天文学家必须测量HH 1177周围致密气体的运动。为此，研究团队利用了位于智利的阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵。他们发现了HH 1177周围存在旋转结构的证据，即周围气体的辐射存在多普勒红移和蓝移，表明气体的一侧在远离我们运动，而另一侧在朝向我们运动。

观测研究像HH 1177这样的大质量恒星是非常关键的，因为它们是宇宙演化的重要一环。它们比太阳这样的中型恒星演化得更快，寿命也短得多，死亡后还为宇宙提供了下一代天体所需要的物质。在银河系内，大质量恒星以及它们的原行星盘不容易被观测到，因为它们通常仍被包裹在它们诞生的尘埃云中，被遮挡住了。然而，大麦哲伦云星系的情况有所不同。由于其尘埃含量较低，HH 1177没有被外部尘埃所过多的遮挡，使天文学家能够观测到这颗恒星，甚至还观测到了它的原行星盘。这意味着研究人员不但可以深入研究HH 1177原行星盘上的吸积动力学，还得以一窥行星形成的早期阶段。

HH 1177的原行星盘是目前直接观测到的、距离我们最远的、围绕大质量恒星的原行星盘。该盘与银河系中新生大质量恒星周围发现的盘相比，具有非常多的相似特征，这表明恒星和行星在其他星系中的形成过程，与在我们自己星系中是一样的。但是，HH 1177的原行星盘也展现了一些差异：大麦哲伦云星系的低金属丰度似乎使盘更稳定，不易碎裂。研究不同星系环境中原行星盘的性质，将有助于完善天文学家对行星起源的进一步理解。

（责任编辑　卢瑜） 9EWvSoqUrqXxubSM6cx7nT/FcE8TkBA5LJFaj+kPGTFmXITEpmtm8i/0DsXo0pxu