除了“流浪”的地球，宇宙中还有“搬家”的木星？

在我们所处的太阳系中，总共有八大行星。只要看一眼行星分布图，你就能发现一个规律：内侧靠近太阳的四颗行星体型小巧，均为岩石行星；而外侧的四颗行星则体积庞大，属于气态或冰态巨行星（如木星、土星）。

太阳系八颗行星的大小比例示意图（图片来源：Britannica）

为什么太阳系的行星会呈现出“内小外大”的特点呢？经典理论认为，这与一条名为“雪线”的理论分界线密切相关。雪线是指太阳系形成初期，水等易挥发物质能否凝结成冰的临界距离。在雪线之外，低温使得冰等固态物质更丰富，更容易快速形成巨行星的“胚胎”，从而长成气态巨行星；而在雪线之内，固态材料稀缺，难以把行星“喂养”成巨行星。

然而，太阳系外一颗行星的发现，彻底颠覆了我们对行星系统的认知。

横空出世的热木星

距离地球约50光年外，有一颗名为飞马座51的恒星，它的质量、大小和光谱类型都与太阳十分相近。1995年，瑞士天文学家米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹利用径向速度法，在飞马座51周围发现了一颗行星——飞马座51b。这是人类首次发现在太阳系外围绕类太阳恒星运行的系外行星，两位天文学家也因此荣获2019年诺贝尔物理学奖。

令天文界震惊的是，飞马座51b是一颗气态巨行星，大小和太阳系的木星类似，可它的轨道离宿主恒星（即飞马座51）只有地球到太阳距离的二十分之一！按照太阳系行星的传统理论，雪线以内行星受恒星活动影响更大，不仅难以形成较大的固态核心，可供吸附的物质也较少，不太可能形成巨行星。

热木星艺术想象图（图片来源：NASA）

这类大小和木星相近、距离宿主恒星极近、表面温度极高的行星被称为热木星。热木星的发现打破了我们对行星系统的传统想象，也对行星形成理论提出了严峻挑战。过去三十年，我们找到了数百颗热木星，但它们究竟如何形成，形成后又经历了怎样的演化，始终是一个迷人的未解之谜。

热木星的“诞生”与“余生”

关于热木星如何形成，主流观点认为，它们最初诞生在离恒星很远的雪线之外，是后来才“搬迁”到现在紧贴恒星的位置的。那么，它们是怎么迁移的呢？天文学家提出了多种可能的迁移机制：

1) 盘迁移机制：在行星系统的“婴儿时期”，行星在浓密的气体尘埃盘中穿行，像在泥潭里走路，短短几百万年内就被“拖”向恒星。

2) 散射迁移机制：当气体盘消散后，年轻行星们轨道不稳，容易发生“擦肩而过”的引力碰撞。有些行星会被“甩”向恒星内部，这个过程比盘迁移慢，但绝大部分在1亿年内完成。

3) 长期混沌机制：在多行星系统中，引力相互作用极为复杂，演化是混沌且不可预测的。有些行星会被偶然地抛到一条极扁的椭圆轨道上，当它非常靠近恒星时，被恒星的潮汐力捕获，最终被“驯化”成一颗热木星。这个过程最为漫长，可能历时数千万年甚至数十亿年。

热木星的三种形成机制示意图。自下而上依次为：盘迁移机制（Disk migration）、散射迁移机制（Planet-planet scattering）与长期混沌机制（Secular chaos）。三种机制的发生阶段不同，所形成的热木星轨道特征也各异。

那么，哪种“搬迁”方式是主流？各自占多大比例？这些问题一直悬而未决。

同时，热木星的演变故事并未在形成后结束。由于离恒星太近，它们受到强大的潮汐力作用，会持续损失轨道能量，一步步螺旋式地滑向恒星。经过足够长的时间，一些热木星最终可能坠入恒星大气，被完全吞噬。因此，热木星也成为理解恒星与行星之间潮汐相互作用绝佳的天然实验室。

为热木星绘制年龄图谱

不同的“搬迁”机制需要不同的时间，而恒星潮汐作用的强弱则决定了热木星坠向恒星的速度。因此，绘制热木星出现频率随恒星年龄变化的图谱，就成了破解其形成与演化之谜的关键钥匙。

南京大学系外行星课题组领导的研究团队在2023年的工作中（见文后文献PAST-5）就已发现，热木星的数量随恒星变老而整体减少，并成功解释了观测上的两个长期谜题：（1）视向速度法样本和凌星法样本中热木星出现率不一致；（2）1999年哈勃空间望远镜未能在球状星团中发现热木星。本次最新研究则更进一大步：从定性走向定量，从描述现象到锁定理论。

热木星出现率的分段衰减与多机制形成示意图。(a)总样本的演化规律，(b)早期到达族群，(c)晚期到达族群，(d)两个族群轨道构型示意（图片来源：参考文献[1]）

通过对我国郭守敬望远镜（LAMOST）和欧洲盖亚（Gaia）等望远镜观测数据的分析，研究团队绘制出了更精确的“热木星人口年龄图谱”。结果显示，其数量衰减并非匀速，而是在恒星年龄约20亿年处出现一个明显的拐点：前期减少得慢，后期减少得快（见上图a）。

这揭示了热木星家族由两大“族群”构成：

• 早期到达族群：在恒星诞生后数千万年内，就迅速来到距离恒星较近位置（上图b）。

• 晚期到达族群：它们不紧不慢，在数千万年乃至数十亿年的时间里，才陆续就位（上图c）。

这两大族群共同作用，塑造了先缓后急的衰减曲线。

研究团队还对比了两大族群的“身份特征”，发现晚期到达族群更喜欢出现在金属元素丰富的恒星周围，且其轨道面与恒星自转轴存在显著夹角。这些特征完美匹配了长期混沌机制的理论预言，强有力地证明该机制正是晚期到达族群的主要来源。

通过将观测图谱与理论模型精准比对，研究人员终于定量给出了热木星形成机制的贡献比率：约60%的热木星是早期到达族群，另外约40%则通过长期混沌机制在漫长岁月中陆续到来。同时，团队首次给出了类太阳恒星潮汐因子（Q*）的精确范围（105.4 – 106.1）。基于这一结果预测的、正处于轨道衰减中的热木星数量，与实际观测高度吻合，为热木星的轨道衰减提供了坚实的大样本观测证据。

基于热木星出现率-年龄规律（左），定量给出长期混沌机制的形成比例和恒星潮汐因子（右）（图片来源：参考文献[1]）

“穿越”（PAST）计划：绘制行星的“生命史”

地球和太阳系在宇宙中是否特殊？这一经典命题始终驱动着人类对宇宙的科学探索。作为一类与太阳系行星截然不同的极端天体，热木星是行星演化理论的关键研究对象。对其生命史的深入研究，有助于我们推测太阳进入红巨星阶段后，水星、金星与地球的潜在命运，同时促进对行星形成和演化普遍规律的理解，从而为解答“地球和太阳系的宇宙地位”这一宏大命题提供科学依据。

本项研究是“行星的空间分布和年龄演化”（英文简称PAST，中文昵称“穿越”计划）近五年来发表的第七项成果（PAST-7）。该计划旨在绘制一幅壮丽的行星系统“时空演化图谱”，追溯不同行星家族的“生命史”，揭示其形成演化与银河系历史的深层联系。该计划依托LAMOST的巡天优势，已构建了包含数千颗系外行星的时空数据库，完成了一系列开创性的普查工作，并在揭示热木星、极短周期行星等神秘族群的演化规律上取得了系列成果。

该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及LAMOST重大成果培育项目的支持。

郭守敬望远镜（LAMOST）

参考文献：

[1] Chen, D.-C.; Xie, J.-W.; Zhou, J.-L.; et al. The origin and tidal evolution of hot Jupiters constrained by a broken age–frequency relation. Nature Astronomy (2025). https://www.nature.com/articles/s41550-025-02693-6

更多 “穿越”系列研究成果：

• " PAST-1 "：Chen, D.-C.; Xie, J.-W.; Zhou, J.-L.; et al. Planets Across Space and Time (PAST). I. Characterizing the memberships of Galactic components and stellar ages: revisiting the kinematic methods and applying to planet host stars. ApJ.. 909, 115 (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/abd5be

• " PAST-2 "：Chen, D.-C.; Yang, J.-Y.; Xie, J.-W.; et al. Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties. AJ. 162, 100 (2021). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac0f08

• " PAST-3 "：Chen, D.-C.; Xie, J.-W.; Zhou, J.-L.; et al., Planets Across Space and Time (PAST). III. Morphology of the planetary radius valley as a function of stellar age and metallicity in the Galactic context revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. AJ.. 163, 249 (2022). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ac641f

• " PAST-4 "：Yang, J.-Y.; Chen, D.-C.; Xie, J.-W.; et al., Planets Across Space and Time (PAST). IV. The occurrence and architecture of Kepler planetary systems as a function of kinematic age revealed by the LAMOST-Gaia-Kepler sample. AJ. 166, 243 (2023). https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/ad0368

• " PAST-5 "：Chen, D.-C.; Xie, J.-W.; Zhou, J.-L.; et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars. PNAS. 120, e2304179120 (2023). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120

• "PAST-6 "：Tu, P.-W.; Xie, J.-W.; Chen, D.-C.; et al., Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems. Nature Astronomy (2025). https://www.nature.com/articles/s41550-025-02539-1

谢基伟，南京大学天文与空间科学学院教授。

陈迪昌，中山大学物理与天文学院副教授。