太陽(yáng)系外的異類(lèi)行星，不到24小時(shí)就公轉(zhuǎn)一次，它們從何處而來(lái)？

出品：科普中國(guó)

作者：涂培瑋（南京大學(xué)在讀博士生）

謝基偉（南京大學(xué)教授、中國(guó)天文學(xué)會(huì)行星專(zhuān)業(yè)委員會(huì)副主任）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

我們都很熟悉太陽(yáng)系中的幾大行星，水星距離太陽(yáng)最近，公轉(zhuǎn)周期為88天，海王星距離太陽(yáng)最遠(yuǎn)，公轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)達(dá)164.8年。行星的軌道半徑是影響其公轉(zhuǎn)周期的首要因素之一。

太陽(yáng)系各大行星的公轉(zhuǎn)軌道周期與年長(zhǎng)度

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

然而，在太陽(yáng)系外，卻存在這樣一些“異類(lèi)”行星——超短周期行星（Ultra-Short-Period Planets, USPs）是系外行星中的特殊群體。它們具有類(lèi)似地球的巖質(zhì)成分，卻居于極端的短周期軌道之上，以不足24小時(shí)的極短周期繞恒星公轉(zhuǎn)。此外，由于距離宿主恒星過(guò)近（宿主星即所圍繞的恒星，超短周期與宿主恒星之間的距離不到地球與太陽(yáng)距離的五十分之一），其表面溫度可達(dá)2000K（相當(dāng)于約1726.85攝氏度，超過(guò)常見(jiàn)硅酸鹽的熔點(diǎn)）以上，堪稱(chēng)宇宙中的“熔巖煉獄”。

這類(lèi)極端行星在太陽(yáng)系完全“缺席”，自發(fā)現(xiàn)以來(lái)就持續(xù)挑戰(zhàn)著太陽(yáng)系傳統(tǒng)行星的形成演化理論，其起源和演化至今仍是未解之謎，也是科學(xué)家們一直爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。

科學(xué)難題：超短周期行星如何"定居"極端軌道？

主流理論認(rèn)為，超短周期行星是從更遠(yuǎn)的位置通過(guò)某種機(jī)制遷移至短周期軌道，可能的機(jī)制主要有以下三種：

機(jī)制一：盤(pán)遷移

行星在與原行星盤(pán)的相互作用下，于數(shù)百萬(wàn)年（原行星盤(pán)一般存在時(shí)標(biāo)為數(shù)百萬(wàn)年）內(nèi)向內(nèi)遷移。

機(jī)制二：高偏心率遷移

行星因動(dòng)力學(xué)擾動(dòng)被激發(fā)至高偏心率軌道，而后經(jīng)潮汐耗散軌道圓化，形成孤立且高傾角的超短周期行星。取決于軌道激發(fā)的快慢，該過(guò)程可經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年至數(shù)億年。

機(jī)制三：低偏心率遷移

行星通過(guò)與其他行星的相互作用維持較低偏心率，在持續(xù)的潮汐耗散過(guò)程中緩慢向內(nèi)遷移，此過(guò)程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億年。

“熔巖世界”——超短周期行星

（圖片來(lái)源：Veer圖庫(kù)）

不同的形成機(jī)制其時(shí)間尺度橫跨數(shù)百萬(wàn)年到數(shù)十億年，形成的軌道特征也大相徑庭。因此，研究該類(lèi)行星的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型隨時(shí)間的變化規(guī)律，是破解其形成機(jī)制的關(guān)鍵突破口。

新的研究發(fā)現(xiàn)：年齡圖譜揭示形成演化密碼

2025年4月28日，《自然·天文學(xué)》刊登了南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院系外行星課題組的突破性研究成果。該團(tuán)隊(duì)基于我國(guó)郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）巡天數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)際其他觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，首次揭示了超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型隨年齡演化的規(guī)律，為破解這類(lèi)"熔巖世界"的形成之謎提供了關(guān)鍵證據(jù)。

郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）

（圖片來(lái)源：CGTN）

利用估計(jì)年齡的運(yùn)動(dòng)學(xué)方法，研究團(tuán)隊(duì)首先借助LAMOST和Gaia（蓋亞太空望遠(yuǎn)鏡）的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出行星系統(tǒng)宿主恒星的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)年齡。研究發(fā)現(xiàn)，相較于熱木星和其他短周期小質(zhì)量行星，超短周期行星的宿主恒星運(yùn)動(dòng)速度更大，位于銀河系厚盤(pán)（更為古老的銀河系盤(pán)狀結(jié)構(gòu)）中的比例更高，且年齡更老。也就是說(shuō)，與其他短周期行星相比，超短周期行星的宿主恒星更加年老、運(yùn)動(dòng)更加“活躍”。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析，得出了超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率隨年齡的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率隨年齡增長(zhǎng)而上升。這一發(fā)現(xiàn)表明，大多數(shù)超短周期行星可能是在數(shù)十億年之后形成的，不太可能以極早期形成模型（如僅需數(shù)百萬(wàn)年時(shí)間的盤(pán)遷移模型）為主要形成途徑。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還揭示了超短周期行星系統(tǒng)的軌道構(gòu)型隨年齡的演化規(guī)律：將短周期小質(zhì)量行星系統(tǒng)（公轉(zhuǎn)周期小于10天）按年齡劃分為年輕與年老兩類(lèi)。在年老系統(tǒng)中，公轉(zhuǎn)周期在1天左右的分布較為集中，但在1-2天周期范圍內(nèi)行星數(shù)量顯著減少（在圖表上像出現(xiàn)一個(gè)“坑”），行星間的平均距離更大。但年輕系統(tǒng)中，公轉(zhuǎn)周期分布無(wú)顯著聚集或凹陷，行星彼此間靠得更近。并且，能觀(guān)測(cè)到系統(tǒng)中有多顆行星從恒星前方經(jīng)過(guò)（凌星）的情況較少，這說(shuō)明它們要么軌道平面的傾斜程度不一致，要么附近缺少其他行星鄰居。

上述超短周期行星系統(tǒng)的出現(xiàn)率與軌道構(gòu)型的年齡依賴(lài)性表明，超短周期行星通過(guò)潮汐耗散驅(qū)動(dòng)的軌道遷移在數(shù)十億年時(shí)間尺度上持續(xù)形成，且較年輕與較年老的超短周期行星分別源自不同的潮汐遷移路徑（高偏心率遷移和低偏心率遷移）。這些研究結(jié)果勾勒出了超短周期行星的形成機(jī)制和潮汐演化的整體圖像。

未來(lái)，還將持續(xù)構(gòu)建行星系統(tǒng)的演化全景圖

該成果是謝基偉團(tuán)隊(duì)發(fā)起的“系外行星的空間分布和年齡演化”（Planets Across Space and Time，英文簡(jiǎn)稱(chēng)為PAST，中文簡(jiǎn)稱(chēng)“穿越”）系列研究計(jì)劃的重要突破。

此前，該計(jì)劃在揭示熱木星的演化規(guī)律方面也取得了重要研究成果（Chen et al. 2023 PNAS）。該計(jì)劃依托LAMOST大樣本巡天優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建了包含數(shù)千顆系外行星的時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)（Chen et al. 2021 AJ），并對(duì)各種族群的行星系統(tǒng)開(kāi)展普查和統(tǒng)計(jì)研究 (Chen et al. 2022 AJ; Yang et al. 2023AJ),旨在建立行星系統(tǒng)的“時(shí)空演化圖譜”，揭示行星系統(tǒng)形成和演化內(nèi)在機(jī)制，以及其與銀河系形成演化的深層關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tu, P.-W., Xie, J.-W., Chen, D.-C., Zhou, J.-L. Age dependence of the occurrence and architecture of ultra-short-period planet systems. Nat Astron (2025).

[2] Chen, D.-C. et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars. Proc. Natl Acad. Sci. USA 120, e2304179120 (2023).

[3] Chen, D.-C. et al. Planets Across Space and Time (PAST). II. Catalog and analyses of the LAMOST-Gaia-Kepler stellar kinematic properties. Astron. J. 162, 100 (2021).

[4] Chen, D.-C. 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. Astron. J. 163, 249 (2022).

[5] Yang, J.-Y. 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. Astron. J. 166, 243 (2023).