一顆質量僅為太陽五分之一的小恒星卻擁有一顆氣態巨行星 TOI-6894b，這讓天文學家們大吃一驚——長期以來，這幾乎是不可能的。這一發現是通過TESS數據得出的，并由世界上最大的望遠鏡之一證實，它對行星形成的主要理論提出了挑戰。

藝術家描繪的新發現巨行星——TOI-6894 b，它圍繞著一顆質量為0.2倍太陽的恒星運行。圖片來源：華威大學/馬克·加利克

TOI-6894是一顆小型紅矮星，質量僅為太陽的20%。像這樣的恒星在銀河系中很常見，但它們通常不被認為是巨行星的家園。事實上，天文學家長期以來一直認為，這種低質量恒星根本不具備形成或支持大型行星的合適條件。

但在《自然天文學》雜志上發表的一項令人驚訝的新發現中，科學家們發現了圍繞這顆小恒星運行的巨行星（名為 TOI-6894b）的清晰特征。

這顆行星是在NASA TESS任務的大規模數據調查中發現的。TESS任務通過監測恒星亮度來搜尋系外行星。該項目專注于發現圍繞較小恒星運行的巨行星，由愛德華·布萊恩特博士領導，他在華威大學和倫敦大學學院的穆拉德空間科學實驗室進行了這項研究。

華威天體物理學獎獲得者、論文第一作者愛德華·布萊恩特博士表示：“我對這一發現感到非常興奮。我最初通過TESS對超過91000顆低質量紅矮星的觀測數據進行搜索，尋找巨行星。”

隨后，利用世界上最大的望遠鏡之一——歐洲南方天文臺（ ESO）的甚大望遠鏡（VLT）的觀測數據，我發現了TOI-6894b，這是一顆巨行星，它正凌日迄今為止已知的質量最低的恒星。我們之前從未預料到像TOI-6894b這樣的行星能夠在如此低質量的恒星周圍形成。這一發現將成為理解巨行星形成極端情況的基石。

美國宇航局凌日系外行星巡天衛星（TESS）工作示意圖。圖片來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心

這顆行星（TOI-6894b）是一顆低密度氣態巨行星，半徑略大于土星，但質量僅為土星的約50%。這顆恒星（TOI-6894）是迄今為止發現擁有凌日巨行星的最低質量恒星，其質量僅為擁有此類行星的第二小恒星的60%。

華威大學副教授丹尼爾·貝利斯博士表示：“我們銀河系中的大多數恒星實際上都是像這樣的小恒星，質量較小，之前被認為無法容納氣態巨行星。因此，這顆恒星擁有一顆巨行星這一事實，對于我們估計銀河系中存在的巨行星總數具有重大影響。”

倫敦大學學院穆拉德空間科學實驗室的文森特·范·艾倫博士表示：“這是一個引人入勝的發現。我們真的不明白一顆質量如此之小的恒星是如何形成如此巨大的行星的！這是尋找更多系外行星的目標之一。通過尋找與太陽系不同的行星系統，我們可以測試我們的模型，并更好地理解我們自己的太陽系是如何形成的。”

關于行星形成最廣為接受的理論是核心吸積理論。行星核心首先通過吸積（物質的逐漸積累）形成，隨著核心質量的增大，它最終會吸引形成大氣層的氣體。之后，核心的質量會達到足以進入失控氣體吸積過程的程度，最終成為一顆氣態巨行星。

在該理論中，低質量恒星周圍形成氣態巨行星的難度更大，因為恒星周圍原行星盤中的氣體和塵埃數量（行星形成的原材料）太有限，無法形成足夠質量的核心，也無法發生失控過程。

然而，TOI-6894b（一顆圍繞極低質量恒星運行的巨行星）的存在表明該模型并不完全準確，需要其他理論。

愛德華補充道：“考慮到這顆行星的質量，TOI-6894b 可能是通過一個中間核心吸積過程形成的，在這個過程中，原行星形成并穩定地吸積氣體，而核心的質量不足以導致失控的氣體吸積。

或者，它可能是由引力不穩定的圓盤形成的。在某些情況下，恒星周圍的圓盤會因其自身施加的引力而變得不穩定。這些圓盤隨后會碎裂，氣體和塵埃坍縮形成行星。

但研究小組發現，從現有數據來看，這兩種理論都無法完全解釋TOI-6894b的形成，這使得這顆巨行星的起源目前仍是一個懸而未決的問題。

揭開TOI-6894b形成之謎的一個途徑是進行詳細的大氣分析。通過測量行星內部物質的分布，天文學家可以確定行星核心的大小和結構，從而告訴我們TOI-6894b是通過吸積形成還是通過不穩定的圓盤形成。

這并非 TOI-6894b 大氣唯一有趣的特征；對于一顆氣態巨行星來說，它的大氣溫度異常寒冷。系外行星搜尋者發現的大多數氣態巨行星都是熱木星，即溫度約為 1000-2000 開爾文的巨大氣態巨行星。相比之下，TOI-6894b 的大氣溫度僅為 420 開爾文。較低的溫度，加上這顆行星的其他特征，例如非常深的凌日現象，使其成為天文學家最有可能將其描述為具有涼爽大氣層的巨行星之一。

伯明翰大學教授、論文合著者兼SPECULOOS 合作項目成員 Amaury Triaud表示：“根據 TOI-6894b 的恒星輻射情況，我們推測其大氣主要由甲烷化學組成，這種物質極其罕見，難以識別。由于溫度足夠低，大氣觀測甚至可能發現氨，這將是首次在系外行星大氣中發現氨。”

“TOI-6894b 很可能成為研究以甲烷為主的大氣的基準系外行星，也是研究太陽系外含有碳、氮和氧的行星大氣的最佳‘實驗室’。”

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST ）計劃在未來12個月內對TOI-6894b的大氣層進行觀測。這將使天文學家能夠確定哪些可能的理論能夠解釋這顆意外行星的形成。

論文合著者、千禧年天體物理研究所研究員兼阿道夫伊巴涅斯大學教授安德烈斯喬丹博士表示：“該系統為行星形成模型提出了新的挑戰，也為后續觀測以表征其大氣層提供了一個非常有趣的目標。

這一發現是我們多年來在智利和英國開展的系統性項目的成果。我們的努力為我們更好地理解小恒星形成巨行星的頻率做出了重要貢獻，并為后續利用太空平臺進行研究提供了重要的目標。

編譯自/ScitechDaily