天文學(xué)家在圍繞其恒星的極地軌道上發(fā)現(xiàn)了另一顆熱木星。這幅圖展示了系外行星WASP-79 b沿著其恒星的外行極地軌道運(yùn)行。Credit: NASA/GSFC
（神秘的星圍行地球uux.cn）據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)（by Pensoft Publishers）：1992年，人類理解宇宙的恒星努力向前邁出了重要的一步。那時(shí)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一批系外行星。極運(yùn)它們被命名為Poltergeist(吵鬧鬼)和Phobetor(驚嚇鬼)，顆系它們圍繞一顆大約2300光年遠(yuǎn)的外行脈沖星運(yùn)行。
盡管我們認(rèn)為在其他恒星周圍一定有其他行星，星圍行而且整個(gè)科幻小說系列都是恒星基于這個(gè)想法，但我們并不確定，極運(yùn)也不能假設(shè)這是顆系真的。快速瀏覽一下人類歷史就會發(fā)現(xiàn)我們對自然的外行假設(shè)是多么的錯(cuò)誤。
從那以后，星圍行很大程度上由于美國宇航局的恒星開普勒和TESS任務(wù)，大量的極運(yùn)系外行星發(fā)現(xiàn)證實(shí)了我們關(guān)于其他太陽系行星的假設(shè)。但是，盡管我們假設(shè)其他太陽系將與我們的非常相似——我們沒有其他東西可循——但我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的5000多顆系外行星向我們展示了我們假設(shè)的愚蠢。
我們不能因?yàn)榧僭O(shè)其他太陽系會和我們的相似而受到責(zé)備。巖石行星離恒星最近，而氣態(tài)巨行星和冰質(zhì)巨行星離恒星較遠(yuǎn)，這是有道理的。即使是主小行星帶提供的漂亮整潔的邊界也是有意義的。這也是說得通的，就像我們系統(tǒng)中的行星一樣，行星會在黃道上繞著它們的恒星稍作變動。
但是，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了大量的氣體巨星，包括熾熱的木星。事實(shí)上，圍繞類太陽恒星發(fā)現(xiàn)的第一顆系外行星是一顆熱木星，它僅用四天時(shí)間就繞其恒星運(yùn)行了一周。這在很大程度上可以歸因于凌日方法中的探測偏差，這是大多數(shù)行星探測的原因。

熱木星HD 189733 b的藝術(shù)家插圖。Credit: NASA Goddard Space Flight Center.
我們關(guān)于有序太陽系與我們相似的假設(shè)現(xiàn)在已經(jīng)成為過去，因?yàn)槲覀円呀?jīng)發(fā)現(xiàn)了在非常偏心的軌道上的系外行星，在我們從未預(yù)料到的地方的系外行星，比如在白矮星周圍的軌道上，以及如此奇怪的行星，以至于熔融鐵雨可能會從天空中落下。
但是有一類系外行星引起了系外行星科學(xué)家的更多關(guān)注。這些行星圍繞它們的恒星在極地軌道上運(yùn)行。一組天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)黑洞，這一發(fā)現(xiàn)需要一個(gè)解釋。
天文學(xué)家利用羅斯特-麥克勞克林效應(yīng)來確定恒星的旋轉(zhuǎn)方向以及系外行星是否在極地軌道上。它基于紅移和藍(lán)移。朝著我們旋轉(zhuǎn)的恒星的一側(cè)正在接近我們，來自太陽那部分的光將轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色。遠(yuǎn)離我們的那一面將光線轉(zhuǎn)換成紅色。當(dāng)一顆行星在恒星前面過境時(shí)，它會影響這種移動，天文學(xué)家可以測量這種影響。
研究人員在《天文學(xué)和天體物理學(xué)》雜志上發(fā)表的一篇新論文中介紹了他們的工作。它的標(biāo)題是“一顆膨脹的極地行星:低密度的熱木星TOI-640 b在極地軌道上。”主要作者是埃米爾·克努特斯楚普，丹麥奧爾胡斯大學(xué)物理和天文系的博士生。另一位作者西蒙·阿爾布雷特(Simon Albrecht)以研究極地軌道上的系外行星而聞名，他是該主題其他論文的作者和合著者。
TOI-640是一顆主序F型星。它的質(zhì)量大約是太陽的1.5倍，半徑大約是太陽的兩倍。這顆恒星大約有20億歲，距離我們大約1115光年。TOI-640是一顆雙星，它的伴星是一顆紅矮星。

來自逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的恒星的光在靠近的一側(cè)藍(lán)移，在遠(yuǎn)離的一側(cè)紅移。當(dāng)行星從恒星前面經(jīng)過時(shí)，它會依次阻擋藍(lán)移和紅移的光，導(dǎo)致恒星的表觀徑向速度發(fā)生變化，但事實(shí)上并沒有發(fā)生變化。Credit: Autiwaderivative work: Autiwa (talk) – Rossiter-McLaughlin_effect.png, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9761976
TOI-640 b是一顆熾熱膨脹的木星。它的質(zhì)量約為木星的60%，半徑約為木星的1.7倍。但是讓這顆行星脫穎而出的是它的恒星傾角。恒星傾角是恒星的自轉(zhuǎn)軸和其行星軌道之間的差異。TOI-640的恒星傾角為184±3°。這意味著行星TOI-640 b位于圍繞恒星的極地軌道上。
TOI-640 b不是唯一一個(gè)。
像這樣的行星太多了，不能把它們當(dāng)作不規(guī)則體而忽略。研究顯示，雖然大多數(shù)熱木星遵循與它們的恒星一致的軌道，但有相當(dāng)數(shù)量的軌道不一致。那些軌道不重合的人傾向于擁有極地軌道。
有趣的是，錯(cuò)位的軌道不會跨越傾角的范圍。相反，它們傾向于聚集在極地軌道上，這不可能是僥幸。在2021年題為“垂直行星的優(yōu)勢”的論文中，作者寫道，“極地軌道的堆積是關(guān)于傾角激發(fā)和演化的未知過程的線索。”

論文中的這張圖顯示了TOI-640 b的TESS轉(zhuǎn)換。藍(lán)色點(diǎn)是30分鐘的節(jié)奏樣本，橙色點(diǎn)是2分鐘的節(jié)奏樣本。方框中帶有誤差線的點(diǎn)不是數(shù)據(jù)，而是說明數(shù)據(jù)的典型誤差。Credit: Knudstrup et al. 2023
在同一篇2021年的論文中，研究人員概述了行星在極地軌道上的四種可能原因，以及為什么沒有對齊的行星傾向于進(jìn)入極地軌道。
潮汐消散:天文學(xué)家認(rèn)為TD通常會抑制傾角，但在某些情況下，它會導(dǎo)致傾角徘徊在90度。這種情況發(fā)生在阻尼主要由科里奧利力在對流區(qū)驅(qū)動的慣性波的消散引起的時(shí)候。但是一些在極地軌道上有行星的恒星缺乏對流區(qū)，而另一些恒星與它們的行星之間的距離如此之大，以至于TD的影響可以忽略不計(jì)。
Kozai機(jī)制:這是恒星和它的行星以及被稱為擾動體的第三個(gè)物體之間的相互作用。它可以影響傾角和偏心率，甚至可以將行星翻轉(zhuǎn)到逆行或順行軌道。TOI-640有一顆紅矮星伴星，它可以作為一個(gè)干擾物。
長期共振交叉:這發(fā)生在太陽系歷史的早期，當(dāng)時(shí)圓盤還很突出。凌日行星和外部伴星之間的共振會減少圓盤的質(zhì)量。它激發(fā)了內(nèi)行星的傾斜度，并將其推至90度。
磁翹曲:這可以使整個(gè)原行星盤向垂直方向傾斜。但其他東西可以抵消它，如磁制動和磁盤風(fēng)。
作者指出，這些機(jī)制可以解釋他們看到的一些極地軌道，但不是全部。他們寫道:“雖然這些機(jī)制可能能夠解釋部分觀察到的分布，但它們似乎無法完全再現(xiàn)單獨(dú)的觀察結(jié)果。”

該圖顯示了x軸上的恒星溫度和y軸上的熱木星傾角。顯示溫度是因?yàn)檩^高的溫度對應(yīng)著較快的恒星自轉(zhuǎn)。出于某種原因，樣本中的行星要么排列整齊，傾角較小，要么位于極地軌道上。Credit: Albrecht et al. 2021
但是所有這些機(jī)制都可以解釋極地軌道上的行星。自然不需要只依賴其中一個(gè)。他們寫道:“增加樣本量和擴(kuò)大參數(shù)空間，以試圖破譯這些機(jī)制是否在擁有不同類型行星的不同類型系統(tǒng)中協(xié)同工作，這將是有趣的。”
隨著天文學(xué)家對其他太陽系的了解越來越多，哪些機(jī)制在什么時(shí)間和什么條件下起主導(dǎo)作用的細(xì)節(jié)將變得越來越清楚。也許他們的發(fā)現(xiàn)會檢驗(yàn)我們對其他太陽系的更多假設(shè)。

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