太陽系外的異類行星，不到24小時就公轉一次，它們從何處而來？

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太陽系外的異類行星，不到24小時就公轉一次，它們從何處而來？我們都很熟悉太陽系中的幾大行星，水星距離太陽最近，公轉周期為88天，海王星距離太陽最遠，公轉周期長達164.8年。行星的軌道半徑是影響其公轉周期的首要因素之一。

出品：

科普中國

作者：

塗培瑋（南京大學在讀博士生）

謝基偉（南京大學教授、中國天文學會行星專業委員會副主任）

監製：

中國科普博覽

然而，在太陽系外，卻存在這樣一些「異類」行星——超短周期行星（Ultra-Short-Period Planets, USPs）是系外行星中的特殊群體。它們具有類似地球的岩質成分，卻居於極端的短周期軌道之上，以不足24小時的極短周期繞恆星公轉。此外，由於距離宿主恆星過近（宿主星即所圍繞的恆星，超短周期與宿主恆星之間的距離不到地球與太陽距離的五十分之一），其表面溫度可達2000K（相當於約1726.85攝氏度，超過常見硅酸鹽的熔點）以上，堪稱宇宙中的「熔岩煉獄」。

這類極端行星在太陽系完全「缺席」，自發現以來就持續挑戰着太陽系傳統行星的形成演化理論，其起源和演化至今仍是未解之謎，也是科學家們一直爭論的焦點。

科學難題：超短周期行星如何"定居"極端軌道？

主流理論認為，超短周期行星是從更遠的位置通過某種機制遷移至短周期軌道，可能的機制主要有以下三種：

機制一：盤遷移

行星在與原行星盤的相互作用下，於數百萬年（原行星盤一般存在時標為數百萬年）內向內遷移。

機制二：高偏心率遷移

行星因動力學擾動被激發至高偏心率軌道，而後經潮汐耗散軌道圓化，形成孤立且高傾角的超短周期行星。取決於軌道激發的快慢，該過程可經歷數百萬年至數億年。

機制三：低偏心率遷移

行星通過與其他行星的相互作用維持較低偏心率，在持續的潮汐耗散過程中緩慢向內遷移，此過程可長達數十億年。

「熔岩世界」——超短周期行星

不同的形成機制其時間尺度橫跨數百萬年到數十億年，形成的軌道特徵也大相徑庭。因此，研究該類行星的出現率與軌道構型隨時間的變化規律，是破解其形成機制的關鍵突破口。

新的研究發現：年齡圖譜揭示形成演化密碼

2025年4月28日，《自然·天文學》刊登了南京大學天文與空間科學學院系外行星課題組的突破性研究成果。該團隊基於我國郭守敬望遠鏡（LAMOST）巡天數據，結合國際其他觀測數據，首次揭示了超短周期行星系統的出現率與軌道構型隨年齡演化的規律，為破解這類"熔岩世界"的形成之謎提供了關鍵證據。

利用估計年齡的運動學方法，研究團隊首先藉助LAMOST和Gaia（蓋亞太空望遠鏡）的觀測數據，計算出行星系統宿主恆星的運動學參數和運動學年齡。研究發現，相較於熱木星和其他短周期小質量行星，超短周期行星的宿主恆星運動速度更大，位於銀河系厚盤（更為古老的銀河系盤狀結構）中的比例更高，且年齡更老。也就是說，與其他短周期行星相比，超短周期行星的宿主恆星更加年老、運動更加「活躍」。

研究團隊進一步分析，得出了超短周期行星系統的出現率隨年齡的演化規律，發現超短周期行星系統的出現率隨年齡增長而上升。這一發現表明，大多數超短周期行星可能是在數十億年之後形成的，不太可能以極早期形成模型（如僅需數百萬年時間的盤遷移模型）為主要形成途徑。

此外，研究團隊還揭示了超短周期行星系統的軌道構型隨年齡的演化規律：將短周期小質量行星系統（公轉周期小於10天）按年齡劃分為年輕與年老兩類。在年老系統中，公轉周期在1天左右的分布較為集中，但在1-2天周期範圍內行星數量顯著減少（在圖表上像出現一個「坑」），行星間的平均距離更大。但年輕系統中，公轉周期分布無顯著聚集或凹陷，行星彼此間靠得更近。並且，能觀測到系統中有多顆行星從恆星前方經過（凌星）的情況較少，這說明它們要麼軌道平面的傾斜程度不一致，要麼附近缺少其他行星鄰居。

上述超短周期行星系統的出現率與軌道構型的年齡依賴性表明，超短周期行星通過潮汐耗散驅動的軌道遷移在數十億年時間尺度上持續形成，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）。這些研究結果勾勒出了超短周期行星的形成機制和潮汐演化的整體圖像。

未來，還將持續構建行星系統的演化全景圖

該成果是謝基偉團隊發起的「系外行星的空間分布和年齡演化」（Planets Across Space and Time，英文簡稱為PAST，中文簡稱「穿越」）系列研究計劃的重要突破。

此前，該計劃在揭示熱木星的演化規律方面也取得了重要研究成果（Chen et al. 2023 PNAS）。該計劃依託LAMOST大樣本巡天優勢，構建了包含數千顆系外行星的時空數據庫（Chen et al. 2021 AJ），並對各種族群的行星系統開展普查和統計研究 (Chen et al. 2022 AJ; Yang et al. 2023AJ),旨在建立行星系統的「時空演化圖譜」，揭示行星系統形成和演化內在機制，以及其與銀河系形成演化的深層關聯。