10亿多年来都没有变化！科学家发现罕见的六行星共振系统
哇喳约 5 分钟上面这段动画展示了六颗系外行星有节奏地围绕中心恒星运行的情况。当每颗行星经过系统中画出的一条线时，都会发出一声音调不同的声音。从地球的角度来看，这条线就是行星从恒星前方穿过（也就是“凌星”）的位置。在这些被称为“共振”的节奏中，最内侧的行星每公转两周，向外一层的那颗行星就会公转三周。在最外层的行星中，有三颗行星遵循内侧行星每公转四周则其相邻外侧行星公转三周的模式。
动画来源：瑞士伯尔尼大学（University of Bern）休·奥斯本（Hugh Osborn）博士
字幕制作：哇喳
最近，欧洲航天局（ESA）的“系外行星猎手”——系外行星特性探测卫星（CHaracterising ExOPlanet Satellite，CHEOPS）任务在太空中观测到了一个引人注目的系外行星系统：HD110067系统，一个极为罕见的六行星共振系统。这一发现尤为珍贵，因为这一行星系统的轨道构型表明，该系统自10亿多年前形成以来基本没有发生变化。
HD110067系统位于北天星座后发座（Coma Berenices），距离我们大约100光年。2020年，美国航空航天局（NASA）的凌星系外行星巡天卫星“苔丝”（Transiting Exoplanet Survey Satellite，TESS）探测到该恒星亮度下降，暗示着有行星从恒星前方经过，产生了“凌星”（transit）现象。初步分析显示系统中可能存在两颗行星。其中一颗的轨道周期（绕恒星运行一周所需的时间）为 5.642 天，另一颗的周期当时尚无法确定。
两年后，“苔丝”再次对这颗恒星进行了观测。综合分析两次观测得到的数据集，研究人员推翻了原来的解释，同时发现了两颗不同的可能行星。相比最初的探测结果，研究人员认为新的结果更具说服力，但“苔丝”的数据仍有许多不合理之处，正是在这个时候，美国芝加哥大学（University of Chicago）的拉斐尔·卢克（Rafael Luque）和他的同事们开始关注到这件事。
“就在那时，我们决定使用CHEOPS。我们在这些行星可能存在的所有时期中寻找信号。”卢克表示。CHEOPS于2019年12月从南美北部海岸发射升空，对围绕较远恒星运行的行星进行大小和反照率（反射率）的关键测量。
卢克团队的努力取得了巨大成功。首先，他们确认了系统中的第三颗行星，并意识到他们找到了揭示整个系统的关键所在，因为现在很清楚，这三颗行星处于轨道共振状态：最外层行星的轨道周期为20.519天，非常接近下一颗行星轨道周期（13.673天）的1.5倍，而处于中间位置的这颗行星轨道周期又几乎正好是最内层行星轨道周期（9.114 天）的1.5倍。
CHEOPS的探测为研究团队提供了这一轨道共振的关键信息，使他们得以预测出系统中其他行星的周期，并将预测结果与未能得到合理解释的数据进行了匹配，结果发现了该系统中的其他三颗行星。卢克解释说：“在CHEOPS的帮助下我们得出了这个共振构型，进而能够预测出所有其他的行星周期。如果没有CHEOPS的探测，这一切都不可能实现。”
这种轨道上的共振系统对于天文学家来说非常重要，因为它们能告诉天文学家行星系统的形成以及随后的演变过程。恒星周围的行星往往在共振中形成，但也很容易受到扰动。一颗质量非常大的行星、一颗近距离经过的恒星，或者一次巨大的撞击事件，都可能破坏这种微妙脆弱的平衡。因此，天文学家所知道的大多数多行星系统都不处于共振状态，能够一直保持共振状态的多行星系统就更少见了。
HD110067之所以如此特殊，是因为它展示了一个自诞生以来就几乎没有发生变化的行星系统原始结构。“我们认为，只有大约百分之一的系统能保持共振。”卢克解释说，“它向我们展示了一个行星系统一直保有的原始构型。”
这项发现如同一个天文侦探故事：“苔丝”最早发现了一些蛛丝马迹，再结合CHEOPS的关键性观测数据，在各种“凌星”现象中，研究人员先是确认了最内侧的两颗行星，通过预测和验证发现了所有的行星。这其中还涉及到了因散射光而丢失“凌星”数据的问题，最终被一种新的计算机代码解决了。
更让人振奋的是，在目前已知的拥有四颗或更多行星的系统中，HD110067的亮度最高。由于这些行星的体积都小于海王星，且大气层很可能较厚，因此它们是利用NASA/ESA/加拿大航天局（CSA）詹姆斯·韦布空间望远镜（James Webb Space Telescope）以及ESA未来的“瞪羚”号 [ Ariel，全称“系外行星大气遥感红外大型巡天”（Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey）] 和“柏拉图”号 [ PLATO，全称“行星凌星与恒星振荡探测器”（PLAnetary Transits and Oscillations of stars）] 望远镜研究其大气层组成的理想候选行星。