有假说认为“新生行星是蓬松的”，该假说基于行星诞生与进化的理论模型，已被长期预测。但由于诞生不久的行星发现数量少，且详细观测困难，此前难以得到证实">有假说认为“新生行星是蓬松的”，该假说基于行星诞生与进化的理论模型，已被长期预测。但由于诞生不久的行星发现数量少，且详细观测困难，此前难以得到证实">
有假说认为“新生行星是蓬松的”，该假说基于行星诞生与进化的理论模型，已被长期预测。但由于诞生不久的行星发现数量少，且详细观测困难，此前难以得到证实。
自然科学研究机构天体生物学中心及国立天文台John H. Livingston领衔的国际研究团队，分析了诞生仅约2000万年的行星系统“金牛座V1298星（V1298 Tau）”的观测结果。此次分析利用行星间重力导致公转周期微小变化的特性，采用了可准确测量行星质量的方法。
结果表明，金牛座V1298星的行星是密度极低的行星，这为“新生行星蓬松”的假说提供了佐证。
新生行星的性质尚未完全明确
过去30年，人类已发现6000多颗围绕太阳外天体公转的“系外行星”。这些行星中最常见的类型，是比地球大、比海王星小的行星——直径为地球1至4倍，被称为“超级地球”或“亚海王星”。这类行星常以比太阳与水星更近的距离公转。
由于此类行星占发现总数的大半，至少在银河系中可称其为“多数派行星”。但因其不存在于太阳系，其形成过程仍是未解之谜。
行星形成过程成谜的主要原因，是缺乏对新生行星的详细观测记录。行星的“新生期”约为诞生后数千万年，与后续数十亿年的“生命周期”相比极为短暂，因此这类年轻行星在所有发现中占比极低。
在此背景下，“新生行星蓬松”的预测此前仅停留在理论层面。理论上认为，新生行星因热量等因素导致大气膨胀，处于低密度状态，但此前尚无观测实例证实新生行星的“蓬松”特性。
准确了解新生行星的形态，有助于深化对行星形成过程的理解，也将推动对“多数派行星”超级地球、亚海王星形成过程的认知。
通过行星间重力准确测量质量
该国际团队聚焦金牛座V1298星展开研究：它位于距地球430光年的金牛座分子云中，质量约为太阳的1.10±0.05倍，年龄仅约2000万年（1000至3000万年），相当于太阳刚诞生不久的状态。
NASA（美国航空航天局）的“开普勒空间望远镜”观测显示，金牛座V1298星周围，在比太阳与水星更近的距离上，拥挤着4颗行星。这些行星的直径最小为地球的5倍（超海王星大小），最大为地球的10倍（超土星大小）。
过去研究推测，其中两颗直径较大的行星质量约为地球的数百倍——这对诞生已久的普通行星而言是合理数值，但金牛座V1298星的行星是新生的，该推测是否适用存疑。此外，质量推测的原始观测数据中，可能混入了大量恒星活动产生的噪声（新生恒星活动剧烈，噪声会影响质量估计）。
为此，Livingston团队采用“凌日计时变化（TTV；Transit-Timing Variation）”法，尝试计算4颗行星的准确质量：从地球观测金牛座V1298星时，会看到行星从恒星前方经过的“凌日”现象。理论上，凌日时间间隔由行星公转周期决定，应完全一致。但多颗行星存在时，行星间会因重力相互吸引——靠近时公转加速、远离时减速，导致实际凌日时间与公转周期计算的预测时间产生偏差。
凌日开始的准确时间可从开普勒望远镜的观测数据中提取。通过计算该时间偏差，并结合公转周期预测的行星配置，可求出行星的重力强度，进而得到作为重力源的行星质量。
团队基于开普勒望远镜数年的观测数据，进行了N体模拟，成功计算出4颗行星的准确质量。尽管多行星重力相互作用的计算极为复杂，但通过攻克这一难题，终于获得了4颗行星的准确质量。
发现新生行星蓬松的证据
计算结果显示，金牛座V1298星的4颗行星质量分别为地球的4.7至15.4倍。考虑到其直径为地球的5至10倍，这一质量明显偏小——平均密度仅介于软木与泡沫塑料之间，直接证实了“新生行星蓬松”的假说。
有趣的是，4颗行星已处于进化过程中：尤其是内侧的两颗行星，已失去大部分诞生时保留的原始大气，且冷却速度比标准行星诞生模型“核心吸积模型”预测的更快。这一过程被称为“沸腾损失（boil-off）”，是解释核心吸积模型无法说明的行星形成特性的重要模型，金牛座V1298星的行星或成为验证该模型的珍贵实例。
各行星的进化仍在进行中，预计未来1亿年内将进一步失去大气，内侧两颗甚至可能完全失去大气——这意味着它们或许正处于超级地球、亚海王星形成的中间阶段。
詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）已开始对该星系进行观测，近期有望获得关于大气流出的更详细信息，进而明确超级地球、亚海王星的形成条件。
无论如何，金牛座V1298星的行星是新生行星进化阶段的“快照”之一。要深化对行星进化的认知，还需增加更多观测案例。
此次研究有国际观测项目“MuSCAT团队”成员参与，该团队正开发新观测设备，旨在详细获取金牛座V1298星这类年轻行星的观测数据。对年轻行星的进一步理解，值得期待后续观测结果。
作者评论
新生行星的详细观测结果非常珍贵，这些观测数据会很有价值哦！（笔者）
文/彩恵りり 编辑/sorae编辑部
参考文献·出处
- John H. Livingston等《银河系中最常见行星系统的年轻前身天体》（Nature）
- 自然科学研究机构天体生物学中心《4颗年轻凌日行星的准确质量测定》
- 自然科学研究机构天体生物学中心《天文学家发现银河系最常见行星的缺失环节》
