年轻恒星周围发现极轻的系外行星

1992年，首颗太阳系外行星被发现。此后，天文学家已编目了数千颗此类系外行星，其中大多数位于与我们太阳系差异很大的行星系统中。行星系统演化的早期阶段对其结构的形成至关重要，因此观测年轻恒星周围的系外行星对于理解成熟系外行星编目中的规律至关重要。

利文斯顿（Livingston）等人在《自然》（Nature）期刊发表论文，对一个年轻的行星系统——约2000万年历史的恒星V1298 Tau及其四颗已知轨道行星进行了详细的动力学研究。通过观测行星运动中的微小扰动，研究人员将它们确定为体积大、密度低的“超级蓬松”行星。

从地球的视角看，V1298 Tau周围四颗行星的轨道均为侧视。这意味着它们都是凌日行星，会定期从宿主恒星前方经过并使其发生掩食。天文学家检测到V1298 Tau的亮度大约每8天、12天、24天和48天会略微变暗，这分别对应其行星的轨道周期，这些行星被命名为V1298 Tau c、d、b和e（字母按发现顺序排列）。

如果行星轨道为凌日构型，天文学家就能测量到一个原本难以获取的行星属性：半径。结合通过其他技术测得的行星质量，半径可以限制对行星平均密度的估算，从而揭示其内部组成和结构。V1298 Tau是致密行星系统的一个例子，这类系统中行星轨道排列紧密，是常见类型——四颗行星都能容纳在水星（离太阳最近的行星）的轨道范围内。

然而，致密系统通常由半径约为地球2-3倍的小型行星组成，而V1298 Tau的行星半径均为地球的5-10倍。该半径范围的行星可能是气态巨行星（如木星和土星，主要由氢和氦组成），也可能是密度更低的超级蓬松行星——这类行星拥有小型岩石核心，周围包裹着广阔的大气层。超级蓬松行星的密度通常低于气态巨行星，因此估算V1298 Tau行星的质量对于理解该行星系统的形成过程及其未来演化至关重要。

行星的引力会使恒星相对观测者产生“摆动”，从而导致其光的探测频率发生偏移。光谱观测通常用于检测这种运动并计算行星质量。然而，对于年轻恒星，该技术效果不佳，因为恒星磁场的变化会在其表面形成暗“星斑”，使得准确测量频率偏移变得困难。

利文斯顿及其同事采用了另一种方法来确定该系统中行星的质量：凌日时间变化（TTV）技术。该技术通过寻找行星凌日时间的微小变化来实现，这些变化是由行星之间的相互引力吸引引起的。由于引力与质量成正比，对这种动力学扰动进行仔细建模可以准确测量行星质量以及其他重要的轨道参数。TTV技术在V1298 Tau这类系统中尤为有效，其行星轨道周期之比为小整数（行星c、d、b、e绕恒星运行的时间比为2:3:6:12）。这种被称为共振链的构型中，行星对彼此轨道的影响会随时间增长，从而使TTVs放大数个数量级。

作者观测了四颗行星对V1298 Tau的43次凌日现象，并结合了该系统现有的凌日数据。他们通过建模找到了与数据最匹配的行星参数。结果显示，每颗行星都表现出较大的、近似正弦曲线的凌日时间变化（图1）。行星c和d的凌日时间变化周期大致相同但呈反相关，即当其中一颗行星的凌日时间延迟最大时，另一颗的凌日时间提前最大。行星b和e也是如此。

图1 | 系外行星系统的轨道以“共振链”相连。恒星V1298 Tau周围有四颗已知行星：c、d、b和e。为测量这些行星的质量，利文斯顿等人观测了它们在轨道运行时从宿主恒星表面凌日的现象，并测量了由行星间引力相互作用引起的凌日时间变化。行星轨道周期之比为小整数，这意味着它们形成了“共振链”，其中微小的引力扰动会不断增强。行星表现出正弦曲线的凌日时间变化，且c与d、b与e的凌日时间变化呈反相关，即当一对行星中一颗的凌日时间延迟最大时，另一颗的凌日时间提前最大。通过凌日时间变化计算出的行星质量表明，它们是低密度的“超级蓬松”行星。

凌日时间变化首次为四颗行星提供了可靠的质量数据：Tau c、d、b、e的质量分别为地球质量的5倍、6倍、13倍和15倍。令人惊讶的是，这些质量表明行星的平均密度极低，仅为水密度的0.08至0.2倍，使V1298 Tau的行星成为迄今发现的密度最低的行星之一。这与超级蓬松行星的特性一致——其低密度几乎可以肯定是由广阔的氢和氦大气层造成的。

利用行星演化模型进行的详细模拟表明，在合理假设下，未来50亿年（约为太阳目前的年龄）内，这四颗行星都将收缩，加入成熟恒星周围常见的密度大得多的行星行列。这些行星通常分为两类：半径约为地球两倍的“超级地球”，以及比超级地球大但比海王星小的“亚海王星”。对V1298 Tau周围行星的观测表明它们均为亚海王星，但作者预测，随着演化，其中一些将成为超级地球。该模拟与“半径间隙”的存在相符——观测发现，半径约为地球两倍的行星很少。

最后，作者追溯了V1298 Tau系统的演化至其早期阶段——当时行星由围绕年轻恒星旋转的尘埃和气体组成的原行星盘形成。他们的结果提出了一种“蒸发”情景：原行星盘中物质的快速消散阶段阻止了行星进一步生长。这一解释与四颗行星的整体质量和半径数据相符，但它预测的行星b内部温度与近期一些光谱测量结果存在矛盾。这种差异需要进一步研究。

总体而言，这项研究虽仅限于单个行星系统，但为对拥有多颗凌日系外行星的年轻恒星进行更广泛的群体研究铺平了道路。得益于美国宇航局（NASA）的凌日系外行星调查卫星（TESS）等全天巡天观测以及数据分析技术的进步，这类系统在天文编目中的占比正日益增加。这将为系外行星形成如何塑造成熟行星系统特征提供更全面的认识，例如揭示化学成分或恒星环境的差异如何影响行星演化。