最近，北京大學科維理天文與天體物理研究所的東蘇勃研究員和南京大學天文與空間學院的謝基偉副教授領導的科研團隊利用中國科學院國家天文臺郭守敬望遠鏡（LAMOST）的觀測數據，發現了一類新的太陽系外行星族群—熱海星（Hoptunes）。相關研究論文（標題為LAMOST telescope reveals that Neptunian cousins of hot Jupitersare mostly single offspring of stars that are rich in heavy elements）於2018年1月9日在《美國科學院院刊》（PNAS）發表,並被選為當期雜誌封面的研究亮點文章之一。東蘇勃研究員和謝基偉副教授是該論文的共同第一作者和共同通訊作者。研究團隊還包括南京大學周濟林教授，猶他大學鄭政教授以及中國科學院國家天文臺羅阿理研究員。
圖1：熱海星想像圖。該圖示意了新發現的「熱海星」族群中的一員 （右下方），以及第一個發現的系外行星族群「熱木星」的一員（左下方）與背景裡克卜勒衛星發現的多姿多樣的行星系統。（北京天文館馬勁編繪合成）
「富貴」而「孤獨」的熱木星
自從1995年第一顆系外行星飛馬座51 b發現以來，對太陽系外行星（簡稱系外行星）的探索一直是國際上一個重要的熱點前沿方向。飛馬座51 b的發現是天文學史上的一個裡程碑，開闢了人類視野，揭示了一類非常特殊的系外行星族群的存在。 這類行星被稱作熱木星，它們大小與太陽系中的木星相當，但表面溫度很高，因為它們距離宿主恆星非常近（不到地球與太陽距離的十分之一，而木星距太陽是日地距離的五倍多）。之後二十多年來，人們發現了上百個木星並對它們進行了大量的研究，但是其形成和起源卻仍然是一個謎。
在已發現的上千個系外行星中，熱木星族群有些重要特徵。首先，熱木星是比較稀少的，大概每100顆恆星周圍才有1顆熱木星。再者，熱木星的宿主恆星大多數比太陽的金屬豐度要高（即富含更高比例的重於氫和氦的化學元素）。另外，熱木星比較「孤獨」，它們的附近一般很少發現其他的行星。用一句形象的話來概括，熱木星是一類稀有的、來自「富裕」家庭的「獨生子女」。這些是熱木星的標誌性特徵，蘊含著其形成和起源的重要線索。
圖2：位於中國科學院國家天文臺河北省興隆觀測站的郭守敬望遠鏡（即大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡，簡稱LAMOST）
LAMOST星海弄潮
那麼是否存在與熱木星具有類似關鍵特徵的其他行星族群呢？這個問題的答案無疑會為解開熱木星起源之謎帶來全新的線索。
在過去幾年，美國國家航空航天局（NASA）的克卜勒（Kepler）衛星通過凌星法尋找系外行星取得了巨大的成功，探測到了幾千顆系外行星，為解決熱木星起源之謎帶來了契機。 研究這個問題的關鍵一步是確定這些行星系統的基本性質，如行星的半徑和宿主恆星的金屬豐度等，而這些屬性的測定則需要對恆星進行光譜觀測。由於克卜勒衛星搜尋的目標多達二十萬顆恆星，需要光譜獲取率極高的觀測，絕大多數望遠鏡難以勝任，只能望洋興嘆。
我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）採用獨特的創新設計，能在大視場中同時觀測數千個天體的光譜，是世界上光譜獲取能力最高的望遠鏡（圖2）。這使得LAMOST望遠鏡在系外行星科學的研究中獨樹一幟。近幾年來，LAMOST在克卜勒天區觀測了數萬顆恆星（其中包括上千顆行星的宿主恆星），得到了它們的光譜。通過與其他高精度方法（如星震學和高解析度光譜）的比較論證，研究團隊發現LAMOST光譜對恆星基本屬性的測量結果非常可靠，達到相當高的精度。高精度的LAMOST恆星數據可以帶來對包括行星半徑等關鍵屬性的高精度測量，使得對成百上千的系外行星進行準確分類和系統研究成為可能。
圖3: 熱海星的發現。不同金屬豐度（[Fe/H]）下的行星軌道周期（Period）和行星半徑(RP)的分布。從下至上，金屬豐度增加。藍色的點表示單凌星系統（系統中只發現這顆行星），紅色的是多凌星系統。熱木星的區域是在綠色橫線的上端。粉色線段圍成的就是熱海星區域。
LAMOST觀測提供精確的宿主恆星半徑和金屬豐度。恆星半徑進而用於確定行星的半徑（克卜勒衛星測光觀測只能給出行星和恆星的半徑比）。
行星家族新成員熱海星——熱木星的表弟表妹
利用LAMOST的精確恆星參數，研究團隊研究了不同金屬豐度情況下行星的軌道周期和行星半徑的分布（圖3）。他們發現，在金屬豐度低的情況下（[Fe/H]<-0.1），幾乎所有的行星都分布在半徑－周期圖中的右下區域。隨著金屬豐度的增加，其他區域逐漸出現行星；在這些新出現的行星中就有來自「富裕」家庭的「獨生子女」——熱木星（如圖3中綠線以上區域，即行星半徑大於10倍地球半徑）。除此之外，他們還驚奇地發現隨著金屬豐度的升高，在圖3粉色框中也出現了些其他的行星。這些行星幾乎和熱木星「相伴」出現，而且與熱木星一樣也大多為「孤獨」的單凌星系統。研究團隊稱這類新的行星族為熱海星（Hoptune）。熱海星的平均大小與海王星類似，約4倍地球半徑，但其大小的分布卻比較廣泛，小至2倍地球半徑，大到6倍地球半徑。它們的物理結構是否都與太陽系的海王星一致尚不明確，故不稱之為熱海王星（hot Neptune）。
通過分析LAMOST望遠鏡的數據，研究團隊終於給「出身富貴」和「孤獨」的熱木星找到了和它們一樣「富貴」和「孤獨」的表弟表妹——熱海星。與熱木星類似，也只有大約1%的恆星附近存在熱海星。將來通過對含熱海星的恆星系統進行高精度視向速度觀測，我們可以測量熱海星的質量，從而進一步研究它們的結構和組成。
二十年來，人們對熱木星的形成和演化機制提出了多種理論，但是熱木星的起源仍未有定論。研究團隊基於LAMOST望遠鏡數據新發現的行星族群熱海星與熱木星有著幾個同樣的標誌特徵， 這為揭開熱木星和其他短周期行星起源這個重大謎題提供了關鍵的新線索和嶄新的研究方向。
該工作得到國家自然科學基金、中科院LAMOST傑出學者、以及全國優秀博士論文專項基金等的資助。
發表論文：
Dong Subo , XieJi-Wei，Zhou Ji-Lin , Zheng Zheng，Luo Ali, 「LAMOSTtelescope reveals that Neptunian cousins of hot Jupiters are mostly singleoffspring of stars that are rich in heavy elements」，PNAS, 2018, 115 (2) 266-271
論文連結：
http://www.pnas.org/content/115/2/266.full
PNAS雜誌的研究亮點（Highlights）報導：
http://www.pnas.org/site/highlights/highlights.xhtml#planets