热木星是银河系中最极端的行星之一。这些炙热的行星和木星一样大，它们疯狂地靠近它们的恒星，与我们自己的气体巨星悠闲地围绕太阳运行4000天相比，它们在几天内旋转。

然而，科学家们怀疑，热木星并不总是那么热，实际上可能是在更寒冷、更遥远的环境中形成的“冷木星”。但它们是如何演变成天文学家今天观察到的环绕恒星的气体巨星的，这是一个很大的未知数。

现在，麻省理工学院、宾夕法尼亚州立大学和其他地方的天文学家发现了一颗热木星的“祖先”——一颗正在变成热木星的年轻行星。它的轨道为热木星的演化提供了一些答案。

这颗被天文学家命名为TIC 241249530 b的新行星围绕着一颗距离地球约1100光年的恒星运行。这颗行星以一个高度“偏心”的轨道绕着它的恒星旋转，这意味着它在远离恒星之前非常接近恒星，然后在一个狭窄的椭圆轨道上折回。如果这颗行星是我们太阳系的一部分，那么它离太阳的距离将是水星的10倍，然后冲出地球，经过地球，然后再绕回来。根据科学家们的估计，这颗行星的延伸轨道是迄今为止探测到的行星中离心率最高的。

这颗新行星的轨道在“逆行”方向上也是独一无二的。不像地球和太阳系中的其他行星，它们的轨道与太阳的旋转方向相同，这颗新行星的运行方向与它的恒星旋转方向相反。

研究小组对轨道动力学进行了模拟，发现这颗行星的高偏心和逆行轨道表明，它很可能通过“高偏心迁移”演变成一颗热木星。“高偏心迁移”是一颗行星的轨道在与另一颗轨道宽得多的恒星或行星相互作用时摆动并逐渐缩小的过程。

以TIC 241249530 b为例，研究人员确定这颗行星围绕着一颗主星运行，而主星本身也围绕着一颗副星运行，这是恒星双星系统的一部分。这颗行星和它的恒星的两个轨道之间的相互作用，导致这颗行星随着时间的推移逐渐向它的恒星靠近。

目前，这颗行星的轨道是椭圆形的，绕恒星一周大约需要167天。研究人员预测，在10亿年后，这颗行星将迁移到一个更紧密的圆形轨道上，然后每隔几天就会绕它的恒星一周。到那时，这颗行星将完全演变成一颗热木星。

麻省理工学院Kavli天体物理和空间研究所的物理学助理教授Sarah Millholland说:“这颗新行星支持了高离心率迁移应该占热木星的一部分的理论。”“我们认为，当这颗行星形成时，它将是一个寒冷的世界。由于巨大的轨道动力学，它将在大约10亿年后变成一个热木星，温度达到几千开尔文。所以这是一个巨大的转变。”

米尔霍兰德和她的同事今天在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。她的合著者是麻省理工学院的本科生海丹·伊姆，宾夕法尼亚州立大学和美国国家科学基金会NOIRLab的第一作者阿尔温德·古普塔，以及其他多所大学、机构和天文台的合作者。

“激进的季节”

这颗新行星最初是在美国宇航局的凌日系外行星测量卫星(TESS)拍摄的数据中发现的，这是一项由麻省理工学院领导的任务，旨在监测附近恒星的亮度，以寻找“凌日”，即星光的短暂下降，这可能表明存在一颗行星从恒星前面经过，并暂时阻挡恒星的光线。

2020年1月12日，TESS发现了一颗可能凌日的恒星TIC 241249530。古普塔和他在宾夕法尼亚州立大学的同事们确定，这次凌日与一颗木星大小的行星在恒星前面穿过是一致的。然后，他们从其他天文台获得了恒星径向速度的测量结果，径向速度可以估计恒星的摆动，或者它来回移动的程度，以响应附近其他可能对恒星产生引力的物体。

这些测量结果证实，有一颗木星大小的行星绕着这颗恒星运行，而且它的轨道非常偏心，使这颗行星在离恒星非常近的地方，然后又把它甩到很远的地方。

在这一发现之前，天文学家只知道另外一颗行星HD 80606 b，它被认为是早期的热木星。这颗发现于2001年的行星一直保持着最高离心率的记录，直到现在。

米尔霍兰说:“这颗新行星在其整个轨道上经历了星光的巨大变化。”“每次它靠近恒星时，一定会有极端的季节和绝对灼热的大气层。”

“轨道之舞”

一颗行星怎么会落入如此极端的轨道呢?它的怪癖会如何随着时间的推移而演变?为了找到答案，伊姆和米尔霍兰德对行星轨道动力学进行了模拟，以模拟地球在其历史上是如何进化的，以及它如何在数亿年的时间里继续进化。

研究小组模拟了这颗行星、它的恒星和附近的第二颗恒星之间的引力相互作用。古普塔和他的同事们观察到，这两颗恒星在一个双星系统中相互绕转，而这颗行星同时绕着更近的那颗恒星运行。这两个轨道的结构有点像马戏团演员在她的腰上旋转呼啦圈，同时在她的手腕上旋转第二个呼啦圈。

米尔霍兰德和伊姆进行了多次模拟，每次都有不同的初始条件，以观察在数十亿年的时间里，哪种条件会产生古普塔团队今天观察到的行星和恒星轨道的结构。然后，他们进行了最佳匹配，甚至更远的未来，以预测该系统在未来几十亿年将如何演变。

这些模拟显示，这颗新行星很可能正在演变成一颗热木星:数十亿年前，这颗行星形成于一颗寒冷的木星，远离它的恒星，在一个足够冷的地区凝结和成形。这颗新形成的行星很可能以圆形轨道围绕恒星运行。然而，这个传统的轨道逐渐拉伸并变得偏心，因为它受到了恒星与第二颗双星的不对齐轨道的引力。

米尔霍兰说:“这是一个相当极端的过程，因为行星轨道的变化是巨大的。”“这是一场历时数十亿年的轨道之舞，而地球只是随波助澜。”

模拟显示，再过10亿年，这颗行星的轨道将稳定在一个靠近恒星的圆形轨道上。

米尔霍兰德说:“然后，这颗行星将完全变成一个热木星。”

研究小组的观察，以及他们对行星演化的模拟，支持了热木星可以通过高偏心率迁移形成的理论，这是一个行星随着时间的推移通过其轨道的极端变化逐渐移动到适当位置的过程。

米尔霍兰德指出:“不仅从这一点，而且从其他统计研究也可以清楚地看出，高离心率迁移应该占热木星的一部分。”“这个系统突出了系外行星的多样性。它们是另一个神秘的世界，它们的轨道很疯狂，告诉我们它们是如何形成的，它们要去哪里。对于这颗行星来说，它的旅程还没有结束。”

加州大学洛杉矶分校(University of California at Los Angeles)的物理学和天文学教授斯玛达尔·纳奥兹(Smadar Naoz)没有参与这项研究，他说:“当这些热木星的祖先经历超级古怪的时期时，真的很难捕捉到它们的‘行为’，所以找到一个经历这一过程的系统是非常令人兴奋的。”“我相信这一发现为更深入地了解系外行星系统的诞生结构打开了大门。