由日内瓦大学(UNIGE)领导的国际团队，包括来自国家行星研究能力中心、华威大学和加那利群岛天体物理研究所的科学家，启动了一项雄心勃勃的项目，旨在绘制位于海王星沙漠周围的系外行星地图。其目标是更好地理解行星系统的形成和演化。

这项名为ATREIDES的合作项目，通过对TOI-421行星系统的观测，已取得初步成果。对该系统的分析揭示了其令人惊讶的倾斜轨道结构，为了解这些遥远星球的混乱历史提供了新的视角。

这项初步研究发表在《天文学与天体物理学》杂志上。

控制行星系统形成和演化的物理机制是什么?为了解答这个大问题，日内瓦大学天文系的科学家们决定将重点放在一类特殊的系外行星上：系外海王星，即太阳系外质量约为地球20倍的行星。

在过去的十年里，科学家们对系外行星的分布有了重大发现。系外海王星通常不存在于非常靠近恒星的区域。然而，日内瓦大学(UNIGE)参与的最新研究表明，在距离恒星稍远的区域——系外行星分布中气候较为温和的区域，被称为“热带草原”——这类行星更为常见。最后，在这片热带草原和沙漠之间，存在着一个名为“海王星脊”的区域，那里的系外海王星数量甚至比其他两个区域还要多。

“海王星外行星地貌的复杂性，为我们了解行星系统形成和演化的过程提供了一个独特的窗口。这启发了我们开展雄心勃勃的 ATREIDES 科学合作项目。该项目主要基于我们正在欧洲最大的望远镜——欧洲南方天文台 (ESO) 的甚大望远镜 (VLT)——上使用世界上最精确的光谱仪 ESPRESSO 进行的一项大规模观测计划。”日内瓦大学理学院天文系高级讲师兼研究员、ATREIDES 项目首席研究员、该联盟首项研究的主要作者 Vincent Bourrier 解释道。

征服“沙漠”

ATREIDES 项目专注于研究系外海王星，旨在探究海王星山脊、稀树草原和沙漠的形成过程，并获取更多关于行星形成和演化的一般信息。科学家计划利用 ESPRESSO 观测大量海王星，并在一致且连贯的框架内分析和建模所有行星的数据。这种系统性方法应该能够真实地比较不同的行星系统，并更好地理解塑造海王星复杂地貌的机制。

ATREIDES 合作项目是一项开放的国际社会倡议，它邀请所有感兴趣的天文学家效仿华威大学的做法加入这项科学研究。

“我们正在使用 NGTS 望远镜(一个基于凌日法的系外行星观测项目)来观测这些海王星的凌日现象，从而优化我们对 ESPRESSO/VLT 的利用。这使我们能够获得更精确的测量结果，并识别可能影响 ESPRESSO 数据的过程，例如恒星耀斑，”华威大学物理系副教授丹尼尔·贝利斯说道。

TOI-421：一个“错位”的轨道结构

ATREIDES 项目观测和分析的第一个系统名为 TOI-421。它包含两颗行星：一颗位于热带草原的炽热海王星 TOI-421 c，以及一颗更靠近恒星的较小行星 TOI-421 b。天文学家已经能够追溯该系统混乱的历史。

ATREIDES 计划的假设之一认为，海王星的地貌是由这些行星从诞生地迁移到当前轨道的方式塑造而成的。一些行星会在形成之初缓慢地穿过气体盘，这一过程应该会产生对齐的轨道。另一些行星则会在很晚的时候被猛烈地推进到轨道上，这需要经历一个被称为“高偏心率迁移”的混乱过程，从而导致轨道高度错位。

因此，该假设的关键变量之一是恒星赤道平面与每颗行星轨道平面之间的对齐。通过测量TOI-421的这种对齐方式，科学家们能够证明该系统中的两颗行星存在严重的错位，这与我们的太阳系截然不同，我们的太阳系中的行星排列整齐，因此几乎在太阳赤道平面上旋转。这表明TOI-421系统在形成后的演化过程中经历了一段动荡的历史。

对TOI-421的分析只是未来发展的一个缩影。它不仅为科学家提供了宝贵的信息，更重要的是，它有助于完善ATREIDES合作项目中开发的分析和建模工具。然而，在我们能够勾勒出行星系统的演化和形成之前，还需要以同样严谨的观测和分析大量包含系外海王星的行星系统。

“彻底了解海王星沙漠、热带草原和山脊的形成机制将有助于我们更好地理解整个行星的形成……但可以肯定的是，宇宙还为我们准备了其他惊喜，这将迫使我们发展新的理论，”布里尔总结道。

更多信息： 开启与TOI-421系统一起穿越海王星系外景观的旅程，《天文学和天体物理学》(2025年)。期刊信息： 天文学与天体物理学