天文學家在圍繞其恒星的極地軌道上發(fā)現了另一顆熱木星。這幅圖展示了系外行星WASP-79 b沿著其恒星的外行極地軌道運行。Credit: NASA/GSFC
（神秘的星圍行地球uux.cn）據美國物理學家組織網（by Pensoft Publishers）：1992年，人類理解宇宙的恒星努力向前邁出了重要的一步。那時天文學家發(fā)現了第一批系外行星。極運它們被命名為Poltergeist(吵鬧鬼)和Phobetor(驚嚇鬼)，顆系它們圍繞一顆大約2300光年遠的外行脈沖星運行。
盡管我們認為在其他恒星周圍一定有其他行星，星圍行而且整個科幻小說系列都是恒星基于這個想法，但我們并不確定，極運也不能假設這是顆系真的。快速瀏覽一下人類歷史就會發(fā)現我們對自然的外行假設是多么的錯誤。
從那以后，星圍行很大程度上由于美國宇航局的恒星開普勒和TESS任務，大量的極運系外行星發(fā)現證實了我們關于其他太陽系行星的假設。但是，盡管我們假設其他太陽系將與我們的非常相似——我們沒有其他東西可循——但我們已經發(fā)現的5000多顆系外行星向我們展示了我們假設的愚蠢。
我們不能因為假設其他太陽系會和我們的相似而受到責備。巖石行星離恒星最近，而氣態(tài)巨行星和冰質巨行星離恒星較遠，這是有道理的。即使是主小行星帶提供的漂亮整潔的邊界也是有意義的。這也是說得通的，就像我們系統(tǒng)中的行星一樣，行星會在黃道上繞著它們的恒星稍作變動。
但是，天文學家發(fā)現了大量的氣體巨星，包括熾熱的木星。事實上，圍繞類太陽恒星發(fā)現的第一顆系外行星是一顆熱木星，它僅用四天時間就繞其恒星運行了一周。這在很大程度上可以歸因于凌日方法中的探測偏差，這是大多數行星探測的原因。

熱木星HD 189733 b的藝術家插圖。Credit: NASA Goddard Space Flight Center.
我們關于有序太陽系與我們相似的假設現在已經成為過去，因為我們已經發(fā)現了在非常偏心的軌道上的系外行星，在我們從未預料到的地方的系外行星，比如在白矮星周圍的軌道上，以及如此奇怪的行星，以至于熔融鐵雨可能會從天空中落下。
但是有一類系外行星引起了系外行星科學家的更多關注。這些行星圍繞它們的恒星在極地軌道上運行。一組天文學家發(fā)現了另一個黑洞，這一發(fā)現需要一個解釋。
天文學家利用羅斯特-麥克勞克林效應來確定恒星的旋轉方向以及系外行星是否在極地軌道上。它基于紅移和藍移。朝著我們旋轉的恒星的一側正在接近我們，來自太陽那部分的光將轉變?yōu)樗{色。遠離我們的那一面將光線轉換成紅色。當一顆行星在恒星前面過境時，它會影響這種移動，天文學家可以測量這種影響。
研究人員在《天文學和天體物理學》雜志上發(fā)表的一篇新論文中介紹了他們的工作。它的標題是“一顆膨脹的極地行星:低密度的熱木星TOI-640 b在極地軌道上。”主要作者是埃米爾·克努特斯楚普，丹麥奧爾胡斯大學物理和天文系的博士生。另一位作者西蒙·阿爾布雷特(Simon Albrecht)以研究極地軌道上的系外行星而聞名，他是該主題其他論文的作者和合著者。
TOI-640是一顆主序F型星。它的質量大約是太陽的1.5倍，半徑大約是太陽的兩倍。這顆恒星大約有20億歲，距離我們大約1115光年。TOI-640是一顆雙星，它的伴星是一顆紅矮星。

來自逆時針旋轉的恒星的光在靠近的一側藍移，在遠離的一側紅移。當行星從恒星前面經過時，它會依次阻擋藍移和紅移的光，導致恒星的表觀徑向速度發(fā)生變化，但事實上并沒有發(fā)生變化。Credit: Autiwaderivative work: Autiwa (talk) – Rossiter-McLaughlin_effect.png, CC BY 2.5, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9761976
TOI-640 b是一顆熾熱膨脹的木星。它的質量約為木星的60%，半徑約為木星的1.7倍。但是讓這顆行星脫穎而出的是它的恒星傾角。恒星傾角是恒星的自轉軸和其行星軌道之間的差異。TOI-640的恒星傾角為184±3°。這意味著行星TOI-640 b位于圍繞恒星的極地軌道上。
TOI-640 b不是唯一一個。
像這樣的行星太多了，不能把它們當作不規(guī)則體而忽略。研究顯示，雖然大多數熱木星遵循與它們的恒星一致的軌道，但有相當數量的軌道不一致。那些軌道不重合的人傾向于擁有極地軌道。
有趣的是，錯位的軌道不會跨越傾角的范圍。相反，它們傾向于聚集在極地軌道上，這不可能是僥幸。在2021年題為“垂直行星的優(yōu)勢”的論文中，作者寫道，“極地軌道的堆積是關于傾角激發(fā)和演化的未知過程的線索。”

論文中的這張圖顯示了TOI-640 b的TESS轉換。藍色點是30分鐘的節(jié)奏樣本，橙色點是2分鐘的節(jié)奏樣本。方框中帶有誤差線的點不是數據，而是說明數據的典型誤差。Credit: Knudstrup et al. 2023
在同一篇2021年的論文中，研究人員概述了行星在極地軌道上的四種可能原因，以及為什么沒有對齊的行星傾向于進入極地軌道。
潮汐消散:天文學家認為TD通常會抑制傾角，但在某些情況下，它會導致傾角徘徊在90度。這種情況發(fā)生在阻尼主要由科里奧利力在對流區(qū)驅動的慣性波的消散引起的時候。但是一些在極地軌道上有行星的恒星缺乏對流區(qū)，而另一些恒星與它們的行星之間的距離如此之大，以至于TD的影響可以忽略不計。
Kozai機制:這是恒星和它的行星以及被稱為擾動體的第三個物體之間的相互作用。它可以影響傾角和偏心率，甚至可以將行星翻轉到逆行或順行軌道。TOI-640有一顆紅矮星伴星，它可以作為一個干擾物。
長期共振交叉:這發(fā)生在太陽系歷史的早期，當時圓盤還很突出。凌日行星和外部伴星之間的共振會減少圓盤的質量。它激發(fā)了內行星的傾斜度，并將其推至90度。
磁翹曲:這可以使整個原行星盤向垂直方向傾斜。但其他東西可以抵消它，如磁制動和磁盤風。
作者指出，這些機制可以解釋他們看到的一些極地軌道，但不是全部。他們寫道:“雖然這些機制可能能夠解釋部分觀察到的分布，但它們似乎無法完全再現單獨的觀察結果。”

該圖顯示了x軸上的恒星溫度和y軸上的熱木星傾角。顯示溫度是因為較高的溫度對應著較快的恒星自轉。出于某種原因，樣本中的行星要么排列整齊，傾角較小，要么位于極地軌道上。Credit: Albrecht et al. 2021
但是所有這些機制都可以解釋極地軌道上的行星。自然不需要只依賴其中一個。他們寫道:“增加樣本量和擴大參數空間，以試圖破譯這些機制是否在擁有不同類型行星的不同類型系統(tǒng)中協同工作，這將是有趣的。”
隨著天文學家對其他太陽系的了解越來越多，哪些機制在什么時間和什么條件下起主導作用的細節(jié)將變得越來越清楚。也許他們的發(fā)現會檢驗我們對其他太陽系的更多假設。