热类木星是一类质量很大、引力很强的行星。30多年前，天文学家发现了第一颗热木星——51 Pegasi b，但至今我们仍不清楚这一类行星的形成历史。已有研究提出，可以利用行星大气的化学组成，来推断热木星的形成位置。
在一项新发表于《天体物理学杂志通讯》的研究中，一个天文学家团队利用韦布空间望远镜（JWST）在对一颗与热木星共同环绕宿主星运行的迷你海王星的大气进行了观测后发现，这两颗行星形成的位置可能都出人意料地远离其宿主星。
一个罕见的行星组合
顾名思义，迷你海王星是质量小于海王星的行星。它们通常被认为是“气态矮行星”——主体主要由气体构成，内部则有一个岩质核心。迷你海王星是银河系中最常见的一类行星。天文学家已经在各种各样的行星系统中，观测到许多围绕不同恒星运行的迷你海王星。
2020年，天文学家利用凌星系外行星巡天卫星（TESS），在距离地球约190光年的地方发现了一个罕见的系统：一颗迷你海王星TOI-1130 b与一颗热类木星TOI-1130 c共同围绕宿主星TOI-1130运行。TESS的数据显示，距离TOI-1130更近的是迷你海王星TOI-1130 b，它大约每4天绕恒星运行一周。更外侧的是热类木星TOI-1130 c，它大约每8天绕恒星运行一周。
为什么说这是一个罕见的系统？这是因为热类木星的内侧通常很少存在其他伴星。这也常被视为热类木星曾经历过剧烈迁移的一个迹象：在这种迁移过程中，原本位于内侧轨道的行星会受到强引力的扰动，被抛离出行星系统。因此，包含一颗内侧行星和一颗外侧热木星的多行星系统非常罕见：在拥有热木星的系统中，只有约7%还拥有内侧伴星。
一次精准的捕捉
研究人员决定用JWST对这个系统进行更细致的观测，尤其是观测这两颗行星的大气。但他们面临的第一个挑战，就是必须在恰到好处的时间捕捉到这两颗行星。
大多数行星围绕恒星运行的周期都很规律、可预测，就像时钟的滴答一样。但研究人员发现，TOI-1130 b和TOI-1130 c处于“平运动共振”之中。这意味着它们会彼此影响对方的运动，相互牵引，从而使各自绕恒星运行一周所需的时间发生轻微变化。
这让研究人员很难预测JWST何时才能获得清晰的观测机会。他们只能尽可能地收集这个系统以往的观测数据，并建立了一个模型，用来预测每颗行星会在什么时候以JWST能够观测到的角度从恒星前方经过。
大气里的线索
在天文观测中，通过观察一颗行星会吸收哪些特定波长的光，就可以获悉许多关于其大气组成的信息。JWST的出色之处在于，它不只能在一种波长下进行观测，还可以观测不同波长的光。
最终，研究团队成功利用JWST对这两颗行星进行了直接而细致的观测。在新的研究中，研究人员报告了对TOI-1130 b的分析结果。测量结果显示：TOI-1130 b的大气会吸收与水、二氧化碳、二氧化硫对应的特定波长；此外，它还在较弱程度上显示出甲烷的信号。这些分子的分子量都高于氢和氦，而氢和氦通常构成较轻的大气。
这一结果出乎研究人员的意料，因为如果TOI-1130 b是在如今这样非常靠近恒星的位置形成的，它不太可能获得如此“重”的大气。因此，研究人员认为，解释这种大气组成的唯一可能方式是：这颗行星形成于比当前位置远得多的地方。
来自雪线之外
研究人员认为，这些发现指向了另一种起源故事：这颗迷你海王星TOI-1130 b，甚至包括它的热类木星伴星TOI-1130 c，都可能形成于恒星雪线之外的寒冷区域。所谓雪线，就是距离恒星足够远、温度低到水能够迅速凝结成冰的边界。
图像的上半部分显示了，在很久以前、约1000万年的形成阶段，迷你海王星（TOI-1130 b）和热类木星（TOI-1130 c）形成于其恒星的“雪线”附近。迷你海王星周围的蓝色圆圈代表富含冰质物质的卵石状颗粒。图像的下半部分则表示该系统当前超过10亿年的年龄阶段：两颗行星已经向恒星内侧迁移，远离了雪线。那些冰质颗粒中的物质已经蒸发，在TOI-1130 b的大气中形成了水、二氧化碳等分子。（图/Kamalika Chakraborty）
在那里，也就是雪线之外的寒冷区域，行星可以逐渐形成由冰和其他挥发性物质（如二氧化碳和二氧化硫）构成的大气。随着时间推移，它们很可能在一个缓慢而渐进的过程中向恒星内侧迁移；在这一过程中，两颗行星始终保持较近的轨道关系，同时也保留了各自的大气。
这是天文学家首次观测到一颗位于热类木星内侧的行星的大气。他们的观测也首次显示，迷你海王星也可以诞生在恒星的“雪线”之外。
#参考来源：
https://news.mit.edu/2026/astronomers-pin-down-origins-planetary-odd-couple-0505
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae5f8b
https://science.nasa.gov/resource/hot-jupiter/
#图片来源：
封面图&首图：Jose-Luis Olivares, MIT
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