CHEOPS发现打破形成规则的行星

意外的第四个世界

欧洲航天局的CHEOPS卫星在对已知系外行星系统的持续调查中又带来了一个惊喜。围绕红矮星LHS 1903运行的第四颗行星不符合任何关于行星如何形成及围绕其母星排列的标准模型，迫使天文学家重新考虑关于行星系统结构的基本假设。

这一发现增加了越来越多的证据，表明我们自己的太阳系有序的排列——岩石行星靠近，气体巨行星更远，一切都在大致圆形的轨道上——可能是例外而非规则。

LHS 1903是一颗小的、冷的红矮星，在天文学意义上相对靠近地球。该系统中的三颗行星之前已通过凌星观测被识别，当行星在其母星前面通过时，恒星光线的轻微变暗揭示了行星的存在，并允许测量其大小。

CHEOPS在对该系统进行后续观测时检测到了第四个天体明确的特征。这颗新行星的轨道、大小及其与三个"兄弟姐妹"的关系立即显得异常。

根据标准形成模型，该行星所在的轨道应该是动力学不稳定的。与其他三颗行星的引力相互作用应该要么将其从系统中排出，要么在相对较短的天文时间内导致其轨道衰减并碰撞。然而，该系统没有显示任何不稳定的迹象，表明它在恒星寿命的相当长一段时间内保持了这种配置。

行星形成理论认为，行星是由围绕年轻恒星的气体和尘埃盘凝聚而成的。这个原行星盘的性质决定了可以形成哪些类型的行星及它们最终的位置。在几十年中，天文学家开发了复杂的模型，可以重现许多观测到的行星系统的总体结构。

LHS 1903系统同时打破了这些模型的多项预测。四颗行星的堆积比模型预测这样大小的天体围绕这样质量的恒星应该可能的要紧密得多。它们之间的轨道间距违反了广泛使用的经验关系，这些关系将系统的稳定性与相邻行星轨道之间的间距联系起来。

将第四颗行星加入到它实际观测到的位置使模拟出现混乱。行星本应相互散射，但显然没有。有什么东西在稳定该系统，但当前模型没有捕捉到。

几种假设可以解释该系统意外的稳定性。一种可能是轨道共振，这种情况下相邻行星的轨道周期由2:1或3:2等简单比例相关，创造出实际上强化稳定性而非促进混乱的引力舞蹈。已知在其他紧密的多行星系统中存在共振链，例如著名的TRAPPIST-1系统及其七个类地行星。

但是，对LHS 1903的初步分析表明这些行星不在简单的共振构型中。轨道周期不符合已知共振链特有的干净比例，暗示存在更复杂的动力学排列。

另一种可能涉及行星的内部组成。如果一颗或多颗行星的实际质量明显小于其表观大小所示，也许拥有异常蓬松的厚但低密度的大气，行星之间的引力相互作用会比预期弱，可能允许紧密堆积保持稳定。

这一发现展示了CHEOPS任务设计的价值。与TESS或Kepler等进行大面积天空调查以寻找新凌星信号的探行星望远镜不同，CHEOPS专注于已知的单个系统以收集极其精确的数据。这种有针对性的方法使其能够检测到更广泛调查可能遗漏的微妙信号。

自2019年12月发射以来，CHEOPS已为数十项系外行星的发现和表征做出了贡献。该任务最初计划的运行寿命为3.5年，但由于持续的生产力已延长两次。该卫星实现20万分之一以上的光度精度的能力使其对系外行星科学不可或缺。

LHS 1903的发现出现在系外行星科学的关键时刻。已知有5700多颗已确认的系外行星和数千个候选行星等待验证，研究人员有足够的数据来开始识别其理论模型中的系统性模式和系统性失败。

新兴的图景表明，行星形成的多样性远超根据我们唯一的太阳系例子训练的模型所预测的。行星显然可以在应该不可能的构型中形成，在应该不稳定的轨道上生存，并以违反数学框架的方式组织自己。

未来用James Webb太空望远镜的观测可以通过详细测量LHS 1903行星的大气和质量来帮助解决这个谜题，为理解这个看似不可能的系统如何保持稳定提供关键数据。似乎，宇宙构建行星系统的方式比人类迄今为止想象的要多。

本文基于Universe Today的报道。阅读原文。