出品：科普中国
制作：赵斐、范舟（中科院国家天文台）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
Do there exist many worlds, or is there but a single world?
This is one of the most noble and exalted questions in the study of Nature.
——Saint Albertus Magnus (c. 1206–1280)
世界有许多个？还是只有一个? 这是对大自然的研究中最崇高和最令人激动的问题之一。
——圣艾尔伯图斯·麦格努斯（公元1204-1280）
夜落星河，繁星满天。
在科技不断发展的今天，我们知道宇宙中还存在很多太阳这样的恒星，它们中的大多数也都有行星围绕。
图片来源：veer图库
行星是由星子在原行星盘中演化而来，根据形成环境和演化轨迹的不同，行星有着丰富多彩的形态和种类。长期以来，人们普遍认为系外行星与太阳系内的行星类似。直到1995年，瑞士天文学家Mayor和Queloz的发现打破了人类在搜寻行星过程中思想上的束缚。他们发现了一种全新的行星形态——热木星。
热木星与太阳系8颗行星截然不同，它们的质量像木星一样巨大，但公转周期却极短，只有不到10天，而木星的公转周期有12年。
近日，来自MIT的天文学家团队发现了一颗公转周期仅有16小时的热木星，这颗炽热的庞然大物刷新了气态巨行星“最短新年”的纪录。这项研究发表在《天文学报》(The Astronomical Journal)上。
超热木星，艺术想象图 （图片来源：ESA/ATG medialab, CC BY-SA 3.0 IGO)
行星漫游指南：热木星篇
截至目前，人类已经发现了4800多颗系外行星，热木星在其中仅占9%，而围绕在类太阳恒星周围的热木星则更加稀少，仅占0.5%。
△系外行星分布图（横坐标是行星的公转轨道周期，纵坐标是行星的最小质量。图中数据点表示4800颗已发现的系外行星，不同的颜色代表不同的探测方法。黄色阴影区域为热木星的范围，左上角的行星是本文提到的TOI-2109。）（图片来源：作者供，工具：python。数据下载自The Extrasolar Planets Encyclopaedia数据库）
对天文学家而言，这种奇异的行星至关重要，它与我们所熟悉的太阳系内的巨行星大相径庭，对它们的研究有望揭示行星系统的起源与形成，进而深化人类对生命诞生和演化的理解。
此次发现的这颗编号为TOI-2109b的热木星位于武仙座，距离地球约855光年，围绕着一颗F型主序星进行运转。这颗行星的半径是木星的1.35倍，但质量却是木星的5倍，堪称“庞然大物”。然而，它的运行轨道离“太阳”非常近，轨道半径仅为0.018AU（天文单位，1AU=日地距离），约为水星轨道半径的1/22。
形象地来说，这幅图景相当于我们站在上帝视角，把木星搓大一点，然后直接丢到最内侧的水星轨道以内1/22的地方。
根据开普勒第三定律，行星的公转轨道半径越小，公转周期越短。因此，假设我们站在这颗热木星上，那么一年只有16小时。
面对这幅奇妙的场景，我们肯定有许多疑问：为什么它和我们的太阳系行星如此不同？它是如何诞生的？它为什么会出现在如此近的轨道上？想要回答这些问题，我们首先得知道，热木星从哪儿来？
进击的热木星：从前世今生说起
说到气态巨行星（Gas Giant），很多人想到的应该是木星和土星。它们主要由氢和氦两种元素组成。在它们的中央是由岩石或冰物质组成的固态核心，中间层是由高压下呈液态金属相的氢和氦组成的区域，外层则是大量由液态逐渐过度到气态的氢和氦。由于中心所占比例很小，因此我们可以简单地把气态巨行星看作是一个巨型的气体球。
热木星在组成上与太阳系内的气态巨行星比较接近，但彼此间的形成过程却差异巨大。关于热木星的起源问题，目前学术界主要有两种理论，即“迁移”假说和“原位形成”假说，而前者最被广泛接受。
迁移假说认为，在恒星形成初期，热木星的雏形首先在雪线以外的较远位置由固态的岩石、冰块和气体聚合而成。
“雪线”是指在行星形成的过程中，某种挥发性的化合物（例如水，氨，甲烷、二氧化碳等）在距离中心恒星足够远的特定位置上能够凝结成固态冰颗粒的分界线。一般认为质量较小的岩石行星更容易形成于雪线以内，质量较大的气态巨行星形成在雪线以外。
热木星迁移假说及迁移路线示意图 （图片来源: NASA/JPL-Caltech）
形成之初，热木星与木星在差不多的轨道位置处诞生。但由于所处的原行星盘质量分布环境和初始角动量等因素的不同，木星和热木星产生了截然不同的演化路线，热木星的雏形开始逐渐向内侧迁移（Ⅱ型迁移）。在此过程中，它沿路清扫轨迹上的物质和小天体，质量不断增大，最终来到了距离恒星很近的位置上。
天文学家进一步观测发现，TOI-2109b目前正处于潮汐锁定和轨道衰减的过程中，它的轨道形成了1:1的共振比，始终只有一面朝向恒星，同时轨道半径还在进一步地缩小。通过不断的物质吸积，或许它将走向被中心恒星逐渐吞噬的命运。
探索发现之路：从掩食信号中被发现
那么，这颗刷新了纪录的行星是怎么被发现的呢？这就得从NASA发射的TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)空间望远镜说起。
2020年5月13日，TESS开始记录TOI-2109这颗恒星的凌星数据，在此后将近一个月的时间里，天文学家们从这颗恒星的光变曲线里分析出了周期性的掩食信号，确认了有一颗行星在以每16小时一个周期的节奏绕恒星运动。
△掩食探测方法或凌星探测方法示意图（图片来源：作者供。数据来源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）
在接下来的一年时间里，来自各国的天文学家们利用不同台址的望远镜对这颗恒星展开了更细致的光谱跟踪观测。这些后续观测证实了TESS一开始的发现，确认了这颗周期最短的气态巨行星。
△多普勒视向速度方法示意图（图片来源：作者供。数据来源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）
目前，人类共探测到了434颗热木星，它们的轨道周期通常都小于10天。这次TOI-2109b又刷新了纪录，公转周期更短，表面温度极高（约3500K），已然接近晚型的恒星和褐矮星。因此TOI-2109b应归类于一个子分支——超热木星或极热木星（Ultrahot Jupiter）。
天文学家们计划在未来使用刚刚发射的詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope, JWST）对这个行星系统在更宽的波段和更高的分辨率下进行观测研究，从而揭开超热木星的更多奥秘。
纪录的存在是为了打破，行星如此，勇攀科学高峰之路亦是如此。超热木星TOI-2109b的发现，既是现代科学技术和理论的优雅应用，也是学术国际合作的宝贵典范。它的存在使我们重新审视了行星形成的模型和理论，丰富了人类对宇宙的认识，也给未来的研究带来了更多的可能性。
参考资料：
1. Wong, I. et al. TOI-2109: An Ultrahot Gas Giant on a 16 hr Orbit. The Astronomical Journal 162, 256 (2021).
2. Howard, A. W. et al. Planet occurrence within 0.25AU of solar-type stars from Kepler. Astrophysical Journal, Supplement Series vol. 201 15 (2012).
3. Ricker, G. R. et al. Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). in Space Telescopes and Instrumentation 2014: Optical, Infrared, and Millimeter Wave vol. 9143 914320 (SPIE, 2014).
4. Ida, S. & Lin, D. N. C. Toward a deterministic model of planetary formation. VI. Dynamical interaction and coagulation of multiple rocky embryos and super-Earth systems around solar-type stars. Astrophysical Journal 719, 810–830 (2010).
5. Gardner, J. P. et al. The James Webb space telescope. Space Science Reviews 123, 485–606 (2006).
6. Greene, T. P. et al. Characterizing transiting exoplanet atmospheres with jwst.The Astrophysical Journal 817, 17 (2016).
