在一项覆盖32颗遥远气态巨行星和褐矮星的新研究中，天文学家记录到一个令人意外的旋转规律：质量更大的天体，旋转得未必更快，反而是那些体积更小的气态巨行星，在剔除质量、尺寸和年龄等因素之后，展现出更迅猛的自转。这一发现来自夏威夷莫纳克亚山顶的凯克天文台，研究团队利用高分辨率光谱仪捕捉到行星大气层的微小展宽信号，首次在较多样本上建立起行星质量与自转速率之间的非单调关系。相关成果已发表在《天文学杂志》上。
太阳系内的自转分布其实早就留下过暗示。木星和土星每约10小时便能完成一次自转，转速在所有行星中最快，而且这两颗巨行星合起来几乎包揽了太阳系绝大部分的自转角动量。天文学家很早就猜测，行星的质量与其自转速率可能存在某种对应关系，但要验证这一猜想，需要把目光投往更远的恒星系统。此次研究团队正是带着这个疑问，借助凯克天文台的行星成像与表征仪（KPIC），去探查那些距离主星数十到数百个天文单位的遥远世界。
观测对象一共包括6颗比木星更大的巨行星和25颗褐矮星伴星，它们与宿主恒星的间距极大，最远的相当于太阳系中冥王星轨道距离的数十倍。这类极远轨道上的行星如何形成，至今仍是天文学家争论的焦点——有的模型认为是在原行星盘内慢慢聚集物质，有的则认为直接来自分子云的引力坍缩，就像恒星诞生一样。无论哪种路径，行星最终的自转速度都被看作一块“活化石”，记录着形成过程中的角动量演化。正如论文第一作者、西北大学跨学科探索与天体物理学研究中心（CIERA）的徐志臻所说：“自转是一颗行星如何形成的化石记录。通过测量这些世界旋转的快慢，我们可以开始拼凑出数千万甚至数亿年前塑造它们的物理过程。”
实际测量远比描述来得复杂。行星本身并不发光，直接分辨出其自转带来的光谱展宽需要极高的灵敏度。KPIC正是为此设计，它能将行星的光与其主星的强光分离开来，然后通过大气分子谱线的微小推展，反推出赤道旋转速度。研究团队进而把这些新数据与已有的自转测量结果合并，构建了一个经过筛选的样本库，包括43颗恒星及亚恒星伴星和巨行星，以及54颗自由漂浮的褐矮星和行星质量天体。当把质量、大小和年龄等因素统一考虑后，一个清晰的趋势浮现出来：气态巨行星普遍转得比质量更大的褐矮星更快，而且这种趋势在行星与中心恒星质量比值不同的群体中也会显出差别。
“我们的结果表明，行星的绝对质量，以及行星质量与恒星质量的比值，都在共同决定行星最终会转多快，”徐志臻补充道，“这帮助我们收窄了这些系统形成的物理机制范围。”研究人员用一个具体的行星和一个褐矮星的对比，展示了这种复杂关系如何体现在单一数据点上，但并未进一步公开对比对象的详细参数。这种质量依赖的自转趋势暗示，磁制动效应可能在褐矮星中扮演了更重要的刹车角色，而行星因为内部结构不同、磁场较弱，得以保留更多的原始旋转能量。
该研究由西北大学CIERA领导，加州大学圣迭戈分校天体物理与空间科学中心、加州理工学院地质与行星科学部、凯克天文台、斯图尔德天文台、詹姆斯·C·怀恩特光学科学学院、美国宇航局喷气推进实验室等多所机构的科学家共同参与。对于仍然在争论遥远巨行星形成机制的天文学界而言，这批自转数据就像突然解锁的一组新维度坐标，把原本仅能依靠轨道参数和光谱温度推断的模型，细分出了更多可检验的差异。未来随着KPIC灵敏度的进一步提升，更大样本的自转测量有望把行星形成的时间线压缩到更精确的阶段，那时或许就能像考古学分析地质断层一样，读出每颗行星出生时的角动量印迹。
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