近日,科研人員基于我國郭守敬望遠鏡(LAMOST)和歐洲蓋亞(Gaia)等望遠鏡觀測數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)熱木星出現(xiàn)率隨年齡呈現(xiàn)出分段衰減的規(guī)律,揭示熱木星是通過多種不同時標的機制共同形成,并進一步定量分析了不同形成機制的貢獻比例,同時實現(xiàn)了對類太陽恒星潮汐因子的精確限定。該項成果的論文于2025年10月31日北京時間發(fā)表于國際知名期刊《自然·天文學》。南京大學謝基偉教授為文章的通訊作者,中山大學陳迪昌副教授是文章第一作者。研究團隊還包含南京大學周濟林教授、中山大學馬波副教授、國家天文臺劉超研究員、美國夏威夷大學戴飛教授和美國印第安納大學王松虎教授。
刷新行星認知的“熱木星”
行星的探測與研究最初從太陽系的八大行星開始。太陽系內(nèi)部分布著四顆較小的類地(巖質(zhì))行星,而外部則是四顆體積更大的氣態(tài)巨行星和冰巨行星(見圖1)。那么,為什么太陽系會呈現(xiàn)出這種“內(nèi)小外大”的構(gòu)型呢?經(jīng)典的行星形成理論認為,在“雪線”之外,水汽會凝結(jié)成冰,使固體物質(zhì)的密度顯著增加,從而能夠更快地形成足夠大的固體核心,并進一步吸積大量氣體,誕生出巨行星;而在雪線之內(nèi),固體物質(zhì)密度較低,難以形成巨行星。
但令人震驚的是,在類太陽恒星周圍首次發(fā)現(xiàn)的行星——飛馬座51b,竟然是一顆位于水星軌道之內(nèi)的巨行星。這一發(fā)現(xiàn)揭示了一類全新的系外行星族群:熱木星。它們的大小與太陽系中的木星相近,但距離宿主恒星極近(通常不到地球與太陽距離的十分之一),因此表面溫度高達上千攝氏度,被形象地稱為“熱木星”。熱木星的發(fā)現(xiàn)是天文學上的一座里程碑。它不僅開拓了人類對行星系統(tǒng)的認知,也對基于太陽系經(jīng)驗建立的傳統(tǒng)行星形成與演化理論提出了挑戰(zhàn)。過去三十年來,天文學家已發(fā)現(xiàn)數(shù)百顆熱木星,并進行了大量研究,但它們的形成機制與演化依然是一個既令人困惑又極具吸引力的謎題。

圖1: 太陽系的“內(nèi)小外大”結(jié)構(gòu)與熱木星的挑戰(zhàn)。右側(cè)為太陽系中的八大行星,而左側(cè)為飛馬座51b(第一顆被發(fā)現(xiàn)的熱木星)。
科學難題:熱木星如何形成和演化?
在形成機制上,目前主流理論認為熱木星最早形成于距離中心恒星較遠的雪線以外,然后通過某種機制遷移到當前離主星很近的位置。關(guān)于軌道遷移,天文學家提出了多種機制。例如,盤遷移模型:行星與原行星盤的相互作用下在數(shù)百萬年內(nèi)向內(nèi)遷移。 再如,散射遷移模型:原行星盤消散后,行星之間軌道發(fā)生近距離交會,有的行星被向內(nèi)散射形成熱木星,該過程比盤遷移更遲更慢,但絕大部分在1億年內(nèi)完成。此外,還有一些長期的引力作用機制,其中一個是“長期混沌”機制。多顆行星在相互引力長期作用下的演化是“混沌”的,一些行星會被“偶然”激發(fā)到偏心率極高的軌道,從而在軌道近星點附近被恒星引起的潮汐效應(yīng)“俘獲”而形成熱木星。該過程往往經(jīng)歷數(shù)千萬年至數(shù)十億年。然而,到底哪種機制在熱木星的形成中起主導(dǎo)作用?不同機制各自貢獻了多少比例?這些關(guān)鍵問題仍是當前研究的焦點難題。
而在熱木星形成后的長期軌道演化中,熱木星由于距離宿主恒星近,會受到持續(xù)的潮汐耗散作用,逐漸失去軌道角動量而向恒星不斷靠近。經(jīng)過足夠長的時間,一些熱木星甚至可能進入恒星大氣,被瓦解吞噬。因此,熱木星也為研究潮汐相互作用和測定恒星潮汐耗散因子(表征恒星吸收并消耗潮汐能量的效率)提供了理想的“天然實驗室”。過去已有研究通過對單個熱木星的長期監(jiān)測以及熱木星群體性質(zhì)的統(tǒng)計分析,來探討其潮汐演化過程。然而,目前仍缺乏具有代表性的大樣本觀測結(jié)果,而已測得的恒星潮汐耗散因子差異較大(可相差數(shù)個量級),且預(yù)期可觀測的處在軌道衰減的熱木星數(shù)量與觀測不符。
新的發(fā)現(xiàn):年齡演化圖像同時揭示形成機制和潮汐演化
不同的機制形成熱木星往往需要不同的時間,而潮汐作用的強弱(這里主要由恒星的潮汐耗散因子決定)也會影響熱木星軌道衰減的速度。因此研究熱木星的出現(xiàn)率隨時間的演化規(guī)律,成為揭示其形成機制和潮汐演化的關(guān)鍵突破口。
研究團隊在2023(PAST-5, 見文后參考文獻)年曾基于一些較小的觀測樣本,首次揭示了熱木星出現(xiàn)率隨年齡整體衰減的趨勢,并由此解決了關(guān)于熱木星觀測的兩個長期謎題:(1)視向速度法樣本和凌星法樣本中熱木星出現(xiàn)率不一致;(2)1999年哈勃空間望遠鏡未能在球狀星團中發(fā)現(xiàn)熱木星。本次研究在2023年成果的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)了從定性到定量、從揭示觀測規(guī)律到約束理論模型的兩方面深化。
研究團隊首先利用LAMOST和Gaia的觀測數(shù)據(jù),定量分析了一個更大樣本中熱木星出現(xiàn)率隨恒星年齡的演化規(guī)律。結(jié)果顯示,熱木星的出現(xiàn)率不是簡單的隨年齡下降,而是呈現(xiàn)出明顯的分段衰減特征:前期下降較緩,而在后期其下降速度顯著加快,分段的拐點大約在年齡20億年(見圖2 a)。通過將恒星年齡與潮汐演化時標進行對比,研究團隊發(fā)現(xiàn),這一分段衰減規(guī)律源于熱木星由兩類族群共同構(gòu)成:早期到達族群(在恒星形成后的數(shù)千萬年內(nèi)即遷移至恒星附近;見圖2 b)與晚期到達族群(數(shù)千萬年至數(shù)十億年間逐步遷移;見圖2 c)。兩類族群共同塑造了整體出現(xiàn)率的演化特征,使其呈現(xiàn)出先緩后急的分段衰減模式。

圖2: 熱木星出現(xiàn)率分段衰減與多機制形成??倶颖?a)和早期到達族群 (b)、晚期到達族群(c)的出現(xiàn)率-年齡演化規(guī)律。(d)為兩個族群的軌道構(gòu)型示意圖。
研究團隊還對兩類族群的化學和軌道特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)晚期到達族群更傾向于出現(xiàn)在富金屬恒星的多行星系統(tǒng)中,其行星公轉(zhuǎn)軌道與恒星自轉(zhuǎn)軌道存在明顯傾角,主要分布在10°–90°之間(見圖2 d)。這些特性與多行星的長期相互作用(“長期混沌”機制)導(dǎo)致高偏心率遷移機制的理論預(yù)期一致,支持該機制是晚期到達族群的主要形成途徑。
通過將觀測結(jié)果與理論模型對比,研究團隊進一步定量限定了熱木星形成機制的貢獻比率(見圖3),結(jié)果表明大部分(約60%)的熱木星是在早期(千萬年內(nèi))到達恒星附近的,而約40%的熱木星則是通過“長期混沌”機制在數(shù)千萬年到數(shù)十億年的時標上被不斷輸送到恒星附近。研究團隊還給出了類太陽恒星的潮汐因子(Q*)限定,約為10的5.4到6.1次方。這一結(jié)果預(yù)期的可觀測軌道衰減的熱木星數(shù)目與觀測十分一致,也為熱木星的軌道衰減提供了大樣本的觀測證據(jù)。

圖3:基于熱木星出現(xiàn)率-年齡規(guī)律(左)給出熱木星通過“長期混沌”機制形成的比例(flate)和恒星潮汐因子(logQ)的定量約束(右)。
“穿越”計劃構(gòu)建行星時空演化圖譜
該文章是“行星的空間分布和年齡演化”(Planets Across Space and Time,英文簡稱為PAST,中文簡稱“穿越”)系列研究計劃的重要突破,是該系列成果論文的第7篇(PAST-7)。該計劃旨在建立行星系統(tǒng)的“時空演化圖譜” ,揭示驅(qū)動各種行星族群形成和演化的內(nèi)在機制,以及其與銀河系形成演化的深層關(guān)聯(lián)。該計劃依托LAMOST大樣本巡天優(yōu)勢,構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時空數(shù)據(jù)庫(PAST-1: Chen et al. 2021 ApJ;PAST-2: Chen et al. 2021 AJ),開展了各種族群行星系統(tǒng)的普查和統(tǒng)計研究 (PAST-3: Chen et al. 2022 AJ;PAST-4: Yang et al. 2023AJ)),并在揭示熱木星和極短周期行星的演化規(guī)律方面已取得了重要研究成果(PAST-5: Chen et al. 2023 PNAS;PAST-6: Tu et al. 2025 Nature Astronomy)。
該項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金以及LAMOST重大成果培育項目的支持。
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成果論文鏈接:
"PAST-7":Chen,D.-C.;Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;et al. The origin and tidal evolution of hot Jupiters constrained by a broken age–frequency relation.Nature Astronomy (2025). https://www.nature.com/articles/s41550-025-02693-6
Chen,D.-C.et al.,2025,Nature Astronomy (2025)
更多 “穿越”系列研究成果:
"PAST-1":Chen,D.-C.;Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;et al. Planets Across Space and Time (PAST). I. Characterizing the memberships of Galactic components and stellar ages: revisiting the kinematic methods and applying to planet host stars.ApJ..909,115 (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd5be
"PAST-2":Chen,D.-C.;Yang,J.-Y.;Xie,J.-W.;et al. Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties.AJ. 162,100 (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac0f08
"PAST-3":Chen,D.-C.;Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;et al.,Planets Across Space and Time (PAST). III. Morphology of the planetary radius valley as a function of stellar age and metallicity in the Galactic context revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample.AJ..163,249 (2022).https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac641f
"PAST-4":Yang,J.-Y.;Chen,D.-C.;Xie,J.-W.;et al.,Planets Across Space and Time (PAST). IV. The occurrence and architecture of Kepler planetary systems as a function of kinematic age revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample.AJ. 166,243 (2023). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad0368
"PAST-5":Chen,D.-C.;Xie,J.-W.;Zhou,J.-L.;et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars. PNAS. 120,e2304179120 (2023).https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120
"PAST-6":Tu,P.-W.;Xie,J.-W.;Chen,D.-C.;et al.,Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems.Nature Astronomy (2025). https://www.nature.com/articles/s41550-025-02539-1