出品：科普中國
制作：趙斐、範舟（中科院國家天文台）
監制：中國科學院計算機網絡資訊中心
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)
世界有許多個？還是隻有一個? 這是對大自然的研究中最崇高和最令人激動的問題之一。
——聖艾爾伯圖斯·麥格努斯（公元1204-1280）
夜落星河，繁星滿天。
在科技不斷發展的今天，我們知道宇宙中還存在很多太陽這樣的恒星，它們中的大多數也都有行星圍繞。
圖檔來源：veer圖庫
行星是由星子在原行星盤中演化而來，根據形成環境和演化軌迹的不同，行星有着豐富多彩的形态和種類。長期以來，人們普遍認為系外行星與太陽系内的行星類似。直到1995年，瑞士天文學家Mayor和Queloz的發現打破了人類在搜尋行星過程中思想上的束縛。他們發現了一種全新的行星形态——熱木星。
熱木星與太陽系8顆行星截然不同，它們的品質像木星一樣巨大，但公轉周期卻極短，隻有不到10天，而木星的公轉周期有12年。
近日，來自MIT的天文學家團隊發現了一顆公轉周期僅有16小時的熱木星，這顆熾熱的龐然大物重新整理了氣态巨行星“最短新年”的紀錄。這項研究發表在《天文學報》(The Astronomical Journal)上。
超熱木星，藝術想象圖（圖檔來源：ESA/ATG medialab, CC BY-SA 3.0 IGO)
行星漫遊指南：熱木星篇
截至目前，人類已經發現了4800多顆系外行星，熱木星在其中僅占9%，而圍繞在類太陽恒星周圍的熱木星則更加稀少，僅占0.5%。
（圖檔來源：作者供，工具：python。資料下載下傳自The Extrasolar Planets Encyclopaedia資料庫）
系外行星分布圖（橫坐标是行星的公轉軌道周期，縱坐标是行星的最小品質。圖中資料點表示4800顆已發現的系外行星，不同的顔色代表不同的探測方法。黃色陰影區域為熱木星的範圍，左上角的行星是本文提到的TOI-2109。）
對天文學家而言，這種奇異的行星至關重要，它與我們所熟悉的太陽系内的巨行星大相徑庭，對它們的研究有望揭示行星系統的起源與形成，進而深化人類對生命誕生和演化的了解。
此次發現的這顆編号為TOI-2109b的熱木星位于武仙座，距離地球約855光年，圍繞着一顆F型主序星進行運轉。這顆行星的半徑是木星的1.35倍，但品質卻是木星的5倍，堪稱“龐然大物”。然而，它的運作軌道離“太陽”非常近，軌道半徑僅為0.018AU（天文機關，1AU=日地距離），約為水星軌道半徑的1/22。
形象地來說，這幅圖景相當于我們站在上帝視角，把木星搓大一點，然後直接丢到最内側的水星軌道以内1/22的地方。
根據開普勒第三定律，行星的公轉軌道半徑越小，公轉周期越短。是以，假設我們站在這顆熱木星上，那麼一年隻有16小時。
面對這幅奇妙的場景，我們肯定有許多疑問：為什麼它和我們的太陽系行星如此不同？它是如何誕生的？它為什麼會出現在如此近的軌道上？想要回答這些問題，我們首先得知道，熱木星從哪兒來？
進擊的熱木星：從前世今生說起
說到氣态巨行星（Gas Giant），很多人想到的應該是木星和土星。它們主要由氫和氦兩種元素組成。在它們的中央是由岩石或冰物質組成的固态核心，中間層是由高壓下呈液态金屬相的氫和氦組成的區域，外層則是大量由液态逐漸過度到氣态的氫和氦。由于中心所占比例很小，是以我們可以簡單地把氣态巨行星看作是一個巨型的氣體球。
熱木星在組成上與太陽系内的氣态巨行星比較接近，但彼此間的形成過程卻差異巨大。關于熱木星的起源問題，目前學術界主要有兩種理論，即“遷移”假說和“原位形成”假說，而前者最被廣泛接受。
遷移假說認為，在恒星形成初期，熱木星的雛形首先在雪線以外的較遠位置由固态的岩石、冰塊和氣體聚合而成。
“雪線”是指在行星形成的過程中，某種揮發性的化合物（例如水，氨，甲烷、二氧化碳等）在距離中心恒星足夠遠的特定位置上能夠凝結成固态冰顆粒的分界線。一般認為品質較小的岩石行星更容易形成于雪線以内，品質較大的氣态巨行星形成在雪線以外。
熱木星遷移假說及遷移路線示意圖（圖檔來源: NASA/JPL-Caltech）
形成之初，熱木星與木星在差不多的軌道位置處誕生。但由于所處的原行星盤品質分布環境和初始角動量等因素的不同，木星和熱木星産生了截然不同的演化路線，熱木星的雛形開始逐漸向内側遷移（Ⅱ型遷移）。在此過程中，它沿路清掃軌迹上的物質和小天體，品質不斷增大，最終來到了距離恒星很近的位置上。
天文學家進一步觀測發現，TOI-2109b目前正處于潮汐鎖定和軌道衰減的過程中，它的軌道形成了1:1的共振比，始終隻有一面朝向恒星，同時軌道半徑還在進一步地縮小。通過不斷的物質吸積，或許它将走向被中心恒星逐漸吞噬的命運。
探索發現之路：從掩食信号中被發現
那麼，這顆重新整理了紀錄的行星是怎麼被發現的呢？這就得從NASA發射的TESS(Transiting Exoplanet Survey Satellite)空間望遠鏡說起。
2020年5月13日，TESS開始記錄TOI-2109這顆恒星的淩星資料，在此後将近一個月的時間裡，天文學家們從這顆恒星的光變曲線裡分析出了周期性的掩食信号，确認了有一顆行星在以每16小時一個周期的節奏繞恒星運動。
掩食探測方法或淩星探測方法示意圖（圖檔來源：作者供。資料來源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）
在接下來的一年時間裡，來自各國的天文學家們利用不同台址的望遠鏡對這顆恒星展開了更細緻的光譜跟蹤觀測。這些後續觀測證明了TESS一開始的發現，确認了這顆周期最短的氣态巨行星。
多普勒視向速度方法示意圖（圖檔來源：作者供。資料來源：NASA/exoplanet-catalog，Wang et al., AJ, 162, 256,2021）
目前，人類共探測到了434顆熱木星，它們的軌道周期通常都小于10天。這次TOI-2109b又重新整理了紀錄，公轉周期更短，表面溫度極高（約3500K），已然接近晚型的恒星和褐矮星。是以TOI-2109b應歸類于一個子分支——超熱木星或極熱木星（Ultrahot Jupiter）。
天文學家們計劃在未來使用剛剛發射的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（James Webb Space Telescope, JWST）對這個行星系統在更寬的波段和更高的分辨率下進行觀測研究，進而揭開超熱木星的更多奧秘。
紀錄的存在是為了打破，行星如此，勇攀科學高峰之路亦是如此。超熱木星TOI-2109b的發現，既是現代科學技術和理論的優雅應用，也是學術國際合作的寶貴典範。它的存在使我們重新審視了行星形成的模型和理論，豐富了人類對宇宙的認識，也給未來的研究帶來了更多的可能性。
參考資料：
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).