基于LAMOST-Gaia首次揭示热木星的年龄分布和时间演化规律
2023年，南京大学天文与空间科学学院的太阳系外行星课题组和国内外多个团队合作，利用我国的郭守敬光谱望远镜（LAMOST）和国际盖亚天体测量望远镜（Gaia）等观测数据测定了热木星的年龄分布，首次得到了热木星出现率（即恒星周围平均有多少热木星）随时间的演化规律，为热木星的潮汐演化提供了大样本观测证据，并为揭示热木星的起源和限定恒星潮汐因子提供了新的关键线索。该项研究成果的论文于2023年10月30日发表在国际著名期刊《美国科学院院刊》（2023,PNAS,120,45）。
图1： 热木星（上）和温冷木星（下）随宇宙时钟（中）演化的艺术想象图。（图片作者：喻京川）
热木星是大小与木星相近，但是轨道周期很小（一般不超过10天），且非常接近其宿主恒星，因而表面温度很热的一类太阳系外行星。1995年，第一颗热木星——飞马座51b 被发现。它的发现者也因此荣获2019年度诺贝尔物理学奖。目前，已发现的热木星达到数百颗，它们的存在挑战了之前人们基于太阳系建立起的标准行星形成和演化理论。虽然经历了近三十年的研究，但是热木星的形成和起源仍然是一个既困扰又吸引天文学家的谜题。
目前主流理论认为热木星最早形成于距离中心恒星较远的雪线（水在真空中开始凝结为冰的位置，太阳系的雪线约为2.7个日地距离）以外，然后通过某种机制迁移到当前位置。天文学家认为迁移机制主要有两种：一是在与原行星盘的相互作用下向内迁移（即盘迁移模型）；二是在伴星或其它行星的引力作用下被激发到高偏心率轨道而到达宿主恒星附近（即高偏心率迁移模型）。区分上述模型的关键是两种机制的作用时标不同：盘迁移模型发生在原行星盘消散之前，即数百万年内；而高偏心率模型是在原行星盘消散后，并且轨道偏心率的激发时标可达数千万年乃至数十亿年。此外，热木星距离宿主恒星很近，受到很强的潮汐作用。在宿主恒星的潮汐力下，热木星会逐渐失去轨道角动量而向主星靠近。经过足够长的时间，一些热木星甚至会进入宿主恒星大气，被宿主恒星瓦解吞噬。因此通过研究热木星的年龄分布和时间演化，可以为揭示热木星的形成和潮汐演化提供关键线索。
图2：热木星和温冷木星的运动学年龄对比（红色点和蓝色点及误差棒）。
研究团队首先借助LAMOST和Gaia的观测数据对行星系统的宿主恒星的运动学参数做精确刻画，发现相比于更长周期的类木行星（温冷木星），热木星宿主恒星的运动速度更小，位于银河系薄盘中的比例更大。之后，利用估计年龄的运动学方法，研究团队得到了热木星和温冷木星的运动学年龄，发现热木星的年龄比温冷木星小约20忆年（见图2），也就是说热木星倾向于存在于更为年轻的银河系薄盘恒星周围。
图3：热木星（上）和温冷木星（下）出现率随年龄的演化规律。左、中、右分别为视向速度样本，空间凌星样本，地面凌星样本的结果。
研究团队进一步修正了观测选择效应，首次定量得到了热木星和温冷木星的出现率随年龄的演化规律。他们发现热木星的出现率随年龄增长而下降，而不同年龄温冷木星的出现率差别不大（见图3）。这个发现与热木星受恒星潮汐作用而轨道不断衰减的理论预期是一致的。该项研究给出了热木星长期潮汐演化的大样本观测证据，为定量揭示恒星潮汐耗散因子和热木星的形成机制提供了新的关键线索。此外，考虑年龄因素的差别，该发现也同时帮助解决了之前长期存在的视向速度巡天和凌星巡天给出的热木星出现率不一致问题，以及热木星在年老的球状星团中的零发现问题。
该项成果以“The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars”为标题于2023年10月30日发表在《美国科学院院刊》。南京大学陈迪昌博士是文章的第一作者，南京大学谢基伟教授、周济林教授和北京大学东苏勃研究员是文章的共同通讯作者。研究团队还包含南京大学杨佳祎博士、朱紫教授与清华大学祝伟助理教授、国家天文台刘超研究员、罗阿理研究员、向茂盛研究员、中国科学院大学黄样副教授、意大利恩利克·费米研究中心王海峰博士、北师大张敬华博士以及美国犹他大学郑政教授。该文章是系外行星的空间分布和年龄演化（Planets Across Space and Time，英文简称为PAST，中文简称“穿越”）系列的第五篇文章，更多穿越系列的后续工作正在进行和准备中。该项研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金以及LAMOST重大成果培育项目的支持。
文章链接：
https://www.nju.edu.cn/info/1067/344831.htm
https://lssf.cas.cn/lssf/lamostwyj/xwdt/202311/t20231103_4585530.html
成果链接：Di-Chang Chen, Ji-Wei Xie, Ji-Lin Zhou, Subo Dong et al. The evolution of hot Jupiters revealed by the age distribution of their host stars, 2023, PNAS, Vol.120, No.45 www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2304179120