2010年,WASP团队用HARPS光谱仪(欧洲南方天文台的高精度径向速度行星搜索器),对WASP-17进行了为期6个月的观测。结果显示:
恒星的径向速度曲线,呈现出“逆向”变化——当行星“靠近”恒星时,恒星的运动方向与顺行行星的情况相反;
结合凌日信号的轨道倾角计算(通过凌日持续时间和恒星半径,算出轨道倾角约170±5度)——这意味着,WASP-17b的公转方向,与WASP-17的自转方向完全相反!
这是人类首次确认一颗系外行星拥有逆行轨道。消息一出,天文学界震动:行星轨道的“同向性”铁律,被打破了。
三、逆行轨道的谜底:行星系统的“暴力童年”
为什么WASP-17b会“倒着转”?天文学家提出了三种主流理论,其中“行星引力散射”最被广泛接受。
1. 理论一:行星胚胎的“致命碰撞”
核心吸积理论认为,行星诞生于原行星盘的尘埃团,逐渐生长为“行星胚胎”(质量约0.1-1倍地球)。这些胚胎会在盘中游荡,频繁碰撞合并。
对于WASP-17b来说,它可能原本是一颗顺行热木星胚胎,但在形成后不久(约1亿年前),与另一颗大质量行星胚胎(或褐矮星,质量约10-20倍木星)发生了近距离碰撞。这次碰撞的冲量,足以将它的轨道倾角从原本的“顺行”(<90度)扭转到170度以上,变成“逆行”。
计算机模拟显示:如果碰撞的相对速度约为10km/s,碰撞角度约为30度,就能将行星的轨道倾角扭转到170度——这与WASP-17b的观测结果完全吻合。
2. 理论二:原行星盘的“潮汐扭转”
另一种可能是原行星盘的不对称性。如果WASP-17的原行星盘存在密度扰动(比如某个区域的尘埃更密集),或者盘的自转轴与恒星自转轴有10-20度的偏移,行星在形成过程中,会受到盘的潮汐力作用,逐渐改变轨道倾角。
这种“盘扭转”机制,更适合解释那些“轻度逆行”(倾角90-150度)的行星,但对于WASP-17b这种“接近完全逆行”(170度)的行星,碰撞理论更合理——因为盘扭转的力量不足以让轨道倾角扭转到如此大的角度。
3. 理论三:恒星自转的“减速耦合”
恒星在形成初期,自转速度很快(可达每天1圈),但会通过磁制动(恒星风带走角动量)逐渐减速。如果行星的轨道角动量与恒星自转角动量的耦合很强,恒星减速可能会带动行星轨道的倾角改变。
但这种理论对WASP-17b不适用:它的轨道周期仅3.7天,恒星减速的影响微乎其微,无法让轨道倾角扭转到170度。
结论:碰撞是“逆行”的主因
综合三种理论,行星胚胎的引力散射是最合理的解释。WASP-17b的逆行轨道,本质上是它“童年时期”一场“致命碰撞”的遗产——这也说明,行星系统的早期演化,远比我们想象的更暴力。
四、热木星的“膨胀之谜”:潮汐加热与低密度之谜
WASP-17b不仅是“逆行者”,还是热木星家族的“膨胀冠军”:质量0.49倍木星,半径1.51倍木星,密度仅0.2g/cm3——比太阳系土星(0.7g/cm3)还轻,能像气球一样“浮”在太阳系中。
1. 潮汐加热:恒星的“搓手取暖”
WASP-17的质量是太阳的1.2倍,半径是太阳的1.4倍,所以它的潮汐力比太阳强10倍以上。当WASP-17b绕恒星运行时,恒星的引力会拉伸行星的两端:靠近恒星的一侧受到的引力更大,远离的一侧更小,这种“引力差”产生潮汐力矩,导致行星内部摩擦,释放热量。
根据计算,WASP-17对WASP-17b的潮汐加热功率约为1.5×102?瓦——相当于1000亿颗氢弹同时爆炸的能量。这些热量会加热行星的内部,使大气膨胀,半径变大。
2. 高温:热膨胀的“助推器”
WASP-17b的轨道半长轴仅0.051AU,表面温度高达1230±50K(约957℃)。高温会让大气中的分子运动加剧,进一步推动行星膨胀。这种“潮汐加热+高温热膨胀”的组合,让WASP-17b成为已知最蓬松的系外行星。
3. 大气特性:高温下的“雾状云”
Hubble望远镜的STIS光谱仪观测显示,WASP-17b的大气中含有钠(Na)和钾(K)——这是热木星的典型特征。但与HD b等热木星不同,WASP-17b的大气存在逆温层:高层大气温度(约1500K)比低层(约1200K)更高。
天文学家推测,这是恒星紫外线辐射的加热结果——紫外线穿透高层大气,加热气体分子,形成逆温层。此外,大气中可能还有铝氧化物(Al?O?)或铁(Fe)的云,但因为温度太高,这些云呈“雾状”,而非液态,无法形成像木星那样的条纹结构。
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